La mecánica cuántica es una rama de la física que estudia la naturaleza a escalas atómicas, donde las leyes de la mecánica clásica a la que estamos acostumbrados no aplican. El presente proyecto, financiado por la Agencia Estatal de Investigación (AEI), se enmarca dentro del campo de las nanotecnologías cuánticas, y dentro de ellas en las áreas de computación, información y simulación cuánticas.

La computación cuántica permite abordar problemas de la física y de otras áreas del conocimiento que serían inaccesibles en la práctica utilizando ordenadores clásicos, debido a la cantidad de tiempo de cálculo que requerirían. De esta manera y mediante la implementación de los ordenadores cuánticos, se potenciará un paso fundamental hacia la transición digital y el desarrollo y la innovación en un amplio espectro de áreas como la energía, la medicina, la agricultura y la ciberseguridad.

Un ordenador cuántico consiste en un número definido de bits cuánticos, unidad mínima de información cuántica de forma análoga al bit clásico, definidos como sistemas de dos niveles, en los cuales se implementan diferentes puertas lógicas cuánticas. Este tipo de ordenadores tiene un funcionamiento similar a los actuales ordenadores clásicos, en los que se encadenan diversas puertas lógicas para realizar operaciones. Sin embargo, haciendo uso de las propiedades cuánticas de los sistemas atómicos como la superposición y el entrelazamiento, dichos cálculos pueden realizarse en un menor tiempo que con los actuales ordenadores. Además, estos ordenadores también pueden comportarse como simuladores cuánticos universales, que pueden emular sistemas cuánticos complejos, como, por ejemplo, proteínas u otras biomoléculas, cuyas simulaciones por medios clásicos necesitan de una gran cantidad de tiempo de cómputo en los mejores superordenadores que se disponen en la actualidad.

En este proyecto se investiga una plataforma potencial para el computador cuántico y para la simulación de sistemas físicos complejos: los puntos cuánticos semiconductores (Fig.1). Cada punto cuántico consiste en una región de un material semiconductor, de unos cientos de nanómetros, en la cual se confinan partículas tales como los electrones. Estos átomos artificiales pueden acoplarse entre ellos formando redes en una y dos dimensiones, y sus propiedades se pueden manipular externamente. En dicha plataforma se pueden implementar diferentes tipos de bits cuánticos. Gracias al reciente desarrollo experimental de estos sistemas, es posible realizar operaciones de uno y dos bits cuánticos, las cuales permiten implementar cualquier algoritmo con un número arbitrariamente grande de bits cuánticos. Es por esto que a dicho paradigma se le da el nombre de “computación cuántica universal”.

Utilizando campos eléctricos periódicos en el tiempo, diseñados mediante la llamada ingeniería de Floquet, se puede manipular estos bits cuánticos y transferir información cuántica entre los extremos de la cadena. El investigar teóricamente los protocolos óptimos para ello es objetivo de este proyecto. Además, se investiga el uso de cadenas de puntos cuánticos como simuladores cuánticos de sistemas complejos, en particular aquellos con propiedades topológicas no triviales (Fig. 2a).

Los sistemas topológicos se caracterizan porque presentan estados localizados en sus bordes, los cuales gracias a las propiedades de simetría que poseen, resisten mejor los efectos nocivos del desorden en los procesos cuánticos. Por ello, tienen un gran potencial para transferir información cuántica y generar entrelazamiento (Fig. 2b,2d). El número de ellos está relacionado con una cantidad llamada invariante topológico (Fig. 2c), que no cambia bajo deformaciones suaves del sistema. Se explorará, mediante modelos teóricos y simulaciones, el cómo controlar e implementar las propiedades topológicas mediante campos externos y cómo desarrollar repetidores cuánticos para acelerar la transferencia de información cuántica.

Finalmente, se investigarán sistemas formados por cavidades superconductoras y cadenas de puntos cuánticos acoplados entre sí, con dos objetivos: transferir información entre bits cuánticos distantes a través de los fotones de la cavidad, y detectar las propiedades del sistema acoplado a la cavidad a través de la transmisión de los fotones de la misma. Se estudiarán las cavidades como sensores cuánticos de propiedades complejas como son las topológicas (Fig. 3).

El campo de las tecnologías cuánticas se enmarca en una iniciativa europea de investigación e innovación: “Quantum Technologies Flagship”, que pretende llevar a Europa al frente de la segunda revolución cuántica mediante avances disruptivos en la investigación, en la industria y en la sociedad. Las tecnologías cuánticas tienen un gran impacto en áreas como son la comunicación, la transferencia de información y seguridad, la medicina o la energía. También representan un paso importante para la transición digital. Es por ello que Europa demanda especialistas en tecnologías digitales incluyendo especialistas en simulación y computación cuánticas. Este proyecto tiene también un cierto impacto social, pues contribuirá a la formación de especialistas, a la empleabilidad y a la transferencia de conocimiento en este campo.