Manipulación y lectura coherente cuántica de estados de vórtices superconductores

Una nueva forma de almacenar información cuántica

Los ordenadores cuánticos prometen resolver problemas muy por encima de las capacidades de las máquinas actuales, pero sus bloques básicos —los qubits— son frágiles y difíciles de diseñar. Este estudio revela un tipo inesperado de qubit oculto dentro de los propios materiales superconductores: diminutas remolinos de campo magnético, llamados vórtices, que pueden almacenar información cuántica silenciosa durante tiempos sorprendentemente largos. Convertir lo que hasta ahora se veía como una molestia en un recurso útil podría abrir nuevos caminos hacia tecnologías cuánticas más simples y robustas.

Cuando los superconductores permiten que el magnetismo se cuele

Los superconductores son famosos por expulsar los campos magnéticos de su interior, un fenómeno que sustenta tecnologías desde escáneres de resonancia magnética hasta detectores sensibles. Sin embargo, cuando el campo magnético aplicado es lo bastante intenso, puede atravesar el superconductor en haces discretos y filiformes conocidos como vórtices. En materiales ordinarios, el centro de cada vórtice se comporta como un metal normal, provocando fricción y pérdida de energía siempre que el vórtice se mueve. Por eso los vórtices han sido considerados durante mucho tiempo como problemáticos, degradando el rendimiento de dispositivos superconductores y qubits. El giro clave explorado aquí es que en un superconductor fuertemente desordenado y granular —compuesto por muchos granos diminutos de aluminio separados por finas barreras aislantes— el interior de un vórtice puede permanecer «gapado», es decir, no disipa energía con facilidad. En estas condiciones, los vórtices pueden dejar de comportarse como objetos clásicos y empezar a mostrar comportamiento totalmente cuántico.

Convertir vórtices en sistemas cuánticos de dos estados

Los investigadores fabricaron un resonador de microondas delgado a partir de aluminio granular, lo enfriaron a unos pocos milésimos de grado por encima del cero absoluto y aplicaron un pequeño campo magnético durante el enfriamiento. Este procedimiento atrapa vórtices en el dispositivo en ubicaciones específicas. Al barrer después el campo magnético y sondear la respuesta de microondas del resonador, el equipo observó firmas claras de que el resonador estaba fuertemente acoplado a un sistema de dos niveles distintivo y sintonizable —esencialmente un objeto cuántico con solo estado fundamental y excitado— vinculado a la presencia de vórtices. Pudieron inducir transiciones entre estos dos estados con pulsos cortos de microondas, tal como se manipularía un qubit superconductor convencional, y pudieron leer el estado de modo que no lo destruían, mediante una medición de no demolición cuántica.

Remolinos cuánticos de larga duración

Mediciones en el dominio temporal revelaron que estos estados basados en vórtices conservan su energía durante cientos de microsegundos, rivalizando con las vidas medias de algunos qubits cuidadosamente diseñados empleados en los experimentos líderes actuales. La coherencia de fase —la propiedad que permite la existencia de superposiciones cuánticas— perduró durante microsegundos y pudo extenderse usando técnicas de eco que cancelan las deriva ambientales lentas. Estudios estadísticos a lo largo de muchos ciclos de enfriamiento indicaron que estos «vortex qubits» son estables durante horas o semanas, aunque su configuración microscópica puede cambiar de un enfriamiento a otro, reflejando distintas distribuciones de vórtices en el paisaje granular.

Un paisaje de trampas y tunelamiento cuántico

Para explicar cómo un vórtice puede actuar como un sistema de dos estados cuánticos, los autores modelaron cómo experimenta el paisaje energético dentro de la estrecha tira superconductora. Debido a que la película es granular y desordenada, existen muchos pequeños sitios de «pinning» que atrapan localmente los vórtices. Al ajustar el campo magnético, la profundidad relativa de estas trampas cambia, creando efectivamente un potencial de doble pozos: dos posiciones de baja energía próximas separadas por una barrera. Cerca de un campo especial de «punto dulce», los dos pozos se aproximan en energía y el vórtice puede tunelar cuánticamente entre ellos en lugar de saltar de forma clásica. En ese régimen, el vórtice deja de estar confinado a un lado u otro; en su lugar, su estado es una superposición de estar en ambas trampas a la vez, formando el sistema de dos niveles que se acopla al resonador.

De defectos indeseados a herramientas cuánticas útiles

Al demostrar que vórtices atrapados en un superconductor granular pueden comportarse como bits cuánticos controlables y de larga vida, este trabajo convierte un inconveniente de larga data de los dispositivos superconductores en una oportunidad. Si la imagen básica —vórtices tunelando entre sitios de pinning cercanos en una red desordenada tipo unión— se confirma mediante futuros experimentos de imágenes y espectroscopía, qubits basados en vórtices similares podrían realizarse en una amplia gama de materiales. Dado que surgen directamente de la estructura del superconductor, tales estados podrían servir tanto como sondas integradas del desorden microscópico como elementos de una nueva plataforma basada en vórtices para procesamiento de información cuántica y sensado ultrasensible.

Cita: Nambisan, A., Günzler, S., Rieger, D. et al. Quantum coherent manipulation and readout of superconducting vortex states. Nature 653, 63–67 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10441-7

Palabras clave: qubits superconductores, aluminio granular, vórtices magnéticos, coherencia cuántica, materiales cuánticos