Detectadas partículas impostoras en el bar más famoso de la computación cuántica

El tirador de cerveza del Bar Majorana. <a href="https://www.shutterstock.com/es/image-illustration/quantum-computer-white-room-3d-illustration-2199337321" rel="nofollow noopener" target="_blank" data-ylk="slk:Shutterstock / Bartlomiej K. Wroblewski" class="link ">Shutterstock / Bartlomiej K. Wroblewski</a>
El tirador de cerveza del Bar Majorana. Shutterstock / Bartlomiej K. Wroblewski

¿Quién es Majorana? ¿Alguien tiene alguna pista sobre su paradero actual?

Cual astutas brigadas de investigación policial, equipos científicos de medio mundo intentamos responder estas preguntas. Buscamos a una de las genuinas “estrellas del rock” en física: una exótica partícula que tiene la virtuosa cualidad de ser su propia antipartícula. Su nombre: Majorana. Se especula que vive oculta en sofisticados nanodispositivos electrónicos.

Todos los indicios apuntan a que estamos estrechando el cerco y que pronto lo lograremos, lo que supondría un gran avance en computación cuántica. De momento, hemos encontrado a una impostora, camuflada en el bar más famoso de la física, el Bar de Majorana.

El bar de Majorana y las partículas impostoras

En nuestra búsqueda científica de la famosa estrella de rock, hemos entrado en un bar de partículas y no podíamos creer lo que veíamos sobre el escenario: una partícula que canta a la perfección la famosa canción de Majorana, luce su vestido más emblemático y ofrece un espectáculo único. ¡Por fin hemos encontrado a nuestra idolatrada artista!

Un momento, algo extraño está ocurriendo. A mitad de la canción y tan pronto como se abre la puerta trasera, todas las partículas se van del bar, incluida la cantante. ¿Es realmente quien parece?

En realidad no, ¡maldita impostora! Una auténtica estrella del rock como Majorana nunca abandona el escenario, incluso aunque el público comience a irse a mitad del concierto.

Al igual que en la metáfora del bar, una auténtica partícula de Majorana nunca abandona el “escenario” y siempre permanece anclada al nanodispositivo, incluso si hay circunstancias que permitan que los electrones convencionales escapen a través del circuito mediante efecto túnel.

Este anclaje ocurre en virtud de un profundo principio matemático llamado protección topológica, un concepto clave en el diseño de la generación de nuevos bits cuánticos basados en majoranas que serían muy robustos frente a errores.

Imagen de microscopía electrónica del nanodispositivo. En azul, el material híbrido semiconductor-superconductor que potencialmente alberga majoranas (el bar). En verde, barreras de efecto túnel (las puertas del bar). En amarillo, distintos electrodos metálicos que se usan para medir pequeñas corrientes eléctricas que se usan en la detección. La escala en la barra horizontal blanca es un micrómetro (una millonésima de metro). . Marco Valentini, Institute of Science and Technology Austria (ISTA), Author provided
Imagen de microscopía electrónica del nanodispositivo. En azul, el material híbrido semiconductor-superconductor que potencialmente alberga majoranas (el bar). En verde, barreras de efecto túnel (las puertas del bar). En amarillo, distintos electrodos metálicos que se usan para medir pequeñas corrientes eléctricas que se usan en la detección. La escala en la barra horizontal blanca es un micrómetro (una millonésima de metro). . Marco Valentini, Institute of Science and Technology Austria (ISTA), Author provided

La ecuación que dio vida a la partícula de Majorana

“Hay muchas categorías de científicos: personas de segundo y tercer rango, que hacen lo que pueden, pero no llegan muy lejos; también hay personas de primer rango, que hacen grandes descubrimientos, fundamentales para el desarrollo de la ciencia. Pero luego están los genios, como Galileo y Newton. Pues bien, Ettore era uno de ellos”. Con estas palabras, el Premio Nobel de física Enrico Fermi manifestaba la gran admiración que profesaba hacia Ettore Majorana, una de las más brillantes promesas de su grupo de investigación en Roma, jóvenes investigadores conocidos popularmente como “I ragazzi di Via Panisperna”.

Ettore Majorana en 1930. <a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ettore_Majorana.jpg" rel="nofollow noopener" target="_blank" data-ylk="slk:Wikimedia Commons / Unknown author / Mondadori Collection" class="link ">Wikimedia Commons / Unknown author / Mondadori Collection</a>

A esta elevada opinión hay que contraponer la humilde visión que tenía Ettore Majorana de sí mismo y de su trabajo, que consideró banal y no merecedor de ser publicado en muchas ocasiones. El propio Fermi fue quien le animó a publicar el trabajo que le hizo más famoso, y se especula con que fue Fermi quien pasó a limpio las notas manuscritas y lo envió a la revista. Aquel artículo era una nueva solución a la famosa ecuación de Dirac, que conjugaba la relatividad especial de Einstein con la teoría cuántica.

La fórmula de Ettore demuestra la posibilidad de que existan partículas iguales a sus propias antipartículas. En su artículo, postuló que el neutrino podría ser descrito por una de estas exóticas soluciones en las que la materia y la antimateria se dan la mano.

Aún no hay pruebas concluyentes de la existencia de partículas de Majorana en la naturaleza, pero su observación directa tendría un profundo impacto en diversos campos de la física, como la cosmología o la física nuclear.

En los últimos años, las partículas de Majorana vuelven a estar muy de actualidad, pero esta vez ocultas en sofisticados nanodispositivos basados en un nuevo tipo de material denominado superconductor topológico.

La desaparición de Ettore Majorana en la literatura, la música y el cine

Pocos meses después de la publicación del artículo, el 27 de marzo de 1938 Ettore Majorana tomó el barco nocturno hacia Palermo y desapareció sin dejar rastro.

Si Majorana pudo o no ser testigo de la enorme influencia de su ecuación es una cuestión controvertida ya que, a pesar de varios años de investigación, aún se especula sobre qué le ocurrió realmente.

La misteriosa desaparición del joven genio inspiró obras literarias (La desaparición de Majorana, de Leonardo Sciascia; A propósito de Majorana, de Javier Argüello); películas (I Ragazzi di via Panisperna, de Gianni Amelio) y letras de canciones: “Me gusta el pensamiento radical, la muerte muy consciente que se autoimpuso Sócrates, y la desaparición misteriosa y única de Majorana…” cantaba Franco Battiato en su tema Mesopotamia.

Cocinando partículas de Majorana en superconductores

Aunque sabemos que es prácticamente imposible que la superconductividad topológica exista de manera natural, tenemos varias ideas sobre cómo generarla artificialmente.

Del mismo modo que podemos cocinar platos extremadamente novedosos y sabrosos a partir de ingredientes “aburridos”, en la actualidad conocemos varias recetas mediante las cuales la correcta mezcla de distintos materiales es capaz de ejecutar un plato digno de estrella Michelin: efectivamente, los cálculos teóricos predicen que una combinación adecuada de un material semiconductor con otro superconductor, todo ello aderezado con un campo magnético externo, genera superconductividad topológica y majoranas.

Este es uno de los muchos ejemplos en los que en un material cuántico la mezcla de distintas interacciones y comportamientos da lugar a fenómenos emergentes en los que el todo es mucho más que la suma de las partes: “More is different”, que diría Philip Anderson, premio nobel de física en 1977, en su famoso ensayo.

Un nuevo paradigma en computación cuántica más robusta

Las primeras recetas teóricas sobre cómo generar superconductores topológicos combinando materiales aparecieron publicadas hace algo más de diez años y generaron inmediatamente una carrera endiablada hacia su demostración experimental.

¿El motivo? Aparte de su interés puramente científico, la teoría predice que es posible utilizar majoranas para construir bits cuánticos basados en estados muy deslocalizados espacialmente.

Una imagen visualmente muy potente es imaginarse un electrón partido en dos mitades, las majoranas, arbitrariamente muy separadas, como en esos trucos de magia donde una persona parece estar partida en dos…

Pero, ¿es realmente un truco de magia? No, es física.

Volvamos al bar: Imaginemos una “superposición cuántica” entre una caña de cerveza llena y una vacía (partícula-antipartícula). Sin ningún coste energético el superconductor topológico permite compartir con la misma probabilidad esa cantidad de cerveza (el electrón) entre los dos vasos, ahora medio llenos, aunque estén muy separados, cada uno en un extremo de la barra del bar.

Esta deslocalización del electrón hace que el bit cuántico sea extremadamente robusto frente a perturbaciones locales de todo tipo, ya que sólo es sensible a alteraciones que afecten a las dos mitades de manera simultánea (¡nadie se puede beber solo uno de los vasos medio llenos en un extremo de la barra, están protegidos topológicamente!).

Para hacer las cosas aún más interesantes, podemos intercambiar las dos mitades con unas reglas que no tienen parangón con la estadística cuántica que rige a los fermiones y bosones del modelo estándar de partículas elementales.

Estas nuevas reglas de intercambio sirven para generar estados entrelazados y ser usadas en puertas lógicas en computación cuántica. ¿Quién podría imaginar que intercambiar vasos de cerveza medio llenos en una larga barra de bar podría dar lugar a una tecnología tan potencialmente disruptiva?

La detección de las impostoras

De momento, la carrera por la detección de majoranas aún no ha terminado. Aparte de ser tremendamente esquivas, nuestra receta para la superconductividad topológica genera falsos positivos. Estos falsos positivos son muy difíciles de discriminar experimentalmente ya que aparecen en la forma de astutas impostoras: “cantan” la canción de Majorana, visten como Majorana y actúan como Majorana, pero no son majoranas. En términos técnicos, estos pseudomajoranas o cuasimajoranas pasan todo tipo de protocolos experimentales rigurosos de autenticidad, por lo que la detección de majoranas sigue siendo objeto de un intenso debate en nuestra comunidad científica.

En nuestro último trabajo publicado en la revista Nature demostramos que incluso combinando dos de estos protocolos tan rigurosos la respuesta sigue siendo un falso positivo. La publicación es el resultado de un trabajo de cooperación entre científicos del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2-CSIC-GENCAT), la Universidad de Princeton y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA).

¿Malas noticias? Sí y no. La buena noticia es que nuestros cálculos teóricos nos ayudan a entender muy bien en qué condiciones aparecen las impostoras (¡las ecuaciones no engañan!), por lo que seguimos afinando los experimentos y protocolos.

Los próximos años serán sin duda apasionantes, ¡sigamos escuchando con atención la canción de Majorana!