Imagen. / MIT

En el Edificio 13 del campus del MIT, se encuentra un equipo de medio millón de dólares que parece un candelabro largo y estirado, con una serie de discos dorados conectados por delgados tubos plateados. El equipo, conocido como refrigerador de dilución, es un elemento clave en la investigación del estudiante de doctorado Alex Greene, ya que alberga todos sus experimentos. “Mi vida se moldea en torno a sus ritmos”, dicen.

La primera vez que Greene ayudó a poner nuevas muestras en el refrigerador, estaban trabajando con un posdoctorado en la medianoche de un viernes, tocando música screamo danesa. Desde entonces, el refrigerador los ha llevado a aventuras emocionantes y frustrantes a lo largo de su investigación de doctorado sobre la reducción de errores en los sistemas de computación cuántica.

Greene creció en el norte de Nueva Jersey con su gemelo idéntico, Jamie. Los dos eran extremadamente competitivos cuando eran niños, y fuera de la escuela, se mantuvieron ocupados corriendo, saltando con pértiga y escalando rocas. Su padre es neurólogo y su madre es una ex ingeniera eléctrica que trabajó en Bell Labs, un laboratorio de investigación conocido por ser pionero en tecnología clave para computadoras y teléfonos.

En 2010, Alex y Jamie llegaron al MIT como estudiantes universitarios. Alex se había interesado en la ingeniería biomédica durante la escuela secundaria, “pero luego descubrí que odio trabajar en laboratorios húmedos”, donde los científicos manejan productos químicos y materiales biológicos, dicen. Otra influencia fue “Contacto” de Carl Sagan, un libro de ciencia ficción sobre un astrónomo que busca inteligencia extraterrestre. “Me enganchó a la física”, dice Greene.

Como estudiante del MIT, Greene se especializó en física y en ingeniería eléctrica e informática. Encontraron un hogar en el campo de la computación cuántica, donde los investigadores están trabajando para construir computadoras extremadamente poderosas aprovechando los conceptos físicos de la mecánica cuántica.

Greene se quedó en el MIT para obtener una maestría en computación cuántica, trabajando en el Laboratorio Lincoln. Allí, investigaron formas de mejorar una tecnología llamada computación cuántica de iones atrapados, que utiliza átomos suspendidos en el aire y controlados por láseres.

Después de completar su maestría, cambiaron a una tecnología diferente llamada computación cuántica superconductora. En lugar de átomos suspendidos, esta tecnología utiliza pequeños circuitos eléctricos que son excepcionales para transportar corriente eléctrica. Para controlar estos circuitos, los investigadores solo necesitan enviar señales eléctricas.

Para este proyecto, Greene quería trabajar con el profesor del MIT William Oliver, quien dirige el Centro de Ingeniería Cuántica en el Laboratorio de Investigación de Electrónica. Una vez más, Greene decidió quedarse en el Instituto, esta vez para obtener su doctorado.

Agregar aleatoriedad a las computadoras cuánticas

Algún día, las computadoras cuánticas podrían resolver problemas más allá del alcance de las computadoras clásicas normales, lo que permitiría un progreso inmenso en muchas aplicaciones. Sin embargo, manipular el hardware para que muestre un comportamiento cuántico es un desafío desde una perspectiva tecnológica. Actualmente, las computadoras cuánticas, incluidas las superconductoras, luchan con altas tasas de error que limitan la duración y la complejidad de los "programas" que pueden ejecutar. La mayor parte de la investigación experimental en computación cuántica se centra en abordar esos errores.  

Greene está trabajando para hacer que las computadoras cuánticas superconductoras sean más precisas al reducir el impacto de estos errores. Para probar sus ideas, necesitan realizar experimentos en circuitos superconductores. Pero para que estos circuitos funcionen, deben enfriarse a temperaturas extremadamente bajas, alrededor de -273,13 grados centígrados, dentro de los 0,02 grados de la temperatura más fría posible en el universo.

Aquí es donde entra en juego el refrigerador de dilución con forma de lámpara de araña. El frigorífico puede alcanzar fácilmente las temperaturas frías requeridas. Pero a veces se porta mal y envía a Greene a misiones secundarias para solucionar sus problemas.

La misión secundaria más ardua de Greene implicó perseguir una fuga en una de las tuberías del refrigerador. Las tuberías transportan una mezcla de gas rara y costosa que se usa para enfriar el refrigerador, que Greene no podía permitirse perder. Afortunadamente, incluso con la fuga, el refrigerador fue diseñado para seguir funcionando sin perder mezcla durante unas dos semanas seguidas. Pero, para mantener el refrigerador en servicio, Greene tuvo que reiniciarlo y limpiarlo constantemente durante un proceso de cinco días. Después de aproximadamente siete meses estresantes, Greene y su compañero de laboratorio finalmente localizaron y repararon la fuga, lo que le permitió a Greene reanudar su investigación a toda velocidad.

Para elaborar una estrategia sobre cómo mejorar de manera efectiva la precisión de las computadoras cuánticas superconductoras, Greene primero necesitaba hacer un balance de los diferentes tipos de errores en estos sistemas. En la computación cuántica, hay dos categorías de errores: errores incoherentes y coherentes. Los errores incoherentes son errores aleatorios que ocurren incluso cuando la computadora cuántica está inactiva, mientras que los errores coherentes son causados ​​por un control imperfecto del sistema. En las computadoras cuánticas, los errores coherentes suelen ser los peores culpables de las imprecisiones del sistema; Los investigadores han demostrado matemáticamente que los errores coherentes se acumulan mucho más rápido que los errores incoherentes.

Para evitar las desagradables imprecisiones compuestas de los errores coherentes, Greene empleó una táctica inteligente: disfrazar estos errores para que parecieran errores incoherentes. “Si introduce [estratégicamente] un poco de aleatoriedad en los circuitos superconductores”, puede hacer que los errores coherentes se compongan tan lentamente como los errores incoherentes, dicen. Otros investigadores en el campo también están empleando tácticas de aleatoriedad de diferentes maneras, señala Greene. Sin embargo, a través de su investigación, Greene está ayudando a allanar el camino para computadoras cuánticas superconductoras más precisas.

Mejorar el saneamiento del agua en Pakistán

Fuera de la investigación, Greene está constantemente involucrado en un torbellino de actividades, agregando nuevos pasatiempos mientras elimina minuciosamente los antiguos para hacer espacio en su apretada agenda. A lo largo de los años, sus pasatiempos han incluido soplar vidrio, cantar en un coro queer local y escalar rocas en competencias. Actualmente, pasan los fines de semana trabajando en proyectos de mejoras para el hogar con su pareja en su cooperativa de colores del arcoíris.

Durante el último año y medio, Greene también ha estado involucrado en proyectos de saneamiento de agua a través de clases con MIT D-Lab, un programa basado en proyectos destinado a ayudar a las comunidades pobres de todo el mundo. Tomar clases en D-Lab fue “algo que siempre quise hacer desde la licenciatura pero nunca tuve tiempo para eso”, dicen. Finalmente pudieron incluir D-Lab en su horario al usar las clases para ayudar a cumplir con los requisitos de su doctorado.

Para un proyecto, están desarrollando un sistema para filtrar de forma eficaz y económica el exceso de fluoruro nocivo de los suministros de agua en Pakistán. “No es intuitivo que el fluoruro sea malo porque tenemos fluoruro en nuestra pasta de dientes”, dicen. “Pero en realidad, demasiado fluoruro cambia la dureza de los dientes y los huesos”. Una idea que ellos y sus colaboradores están explorando es construir un sistema de filtración de agua usando arcilla, un método de eliminación de fluoruro establecido pero económico.

Un profesor asistente visitante de Pakistán, que estaba participando en la clase D-Lab, había presentado originalmente el proyecto de filtración de fluoruro. Cuando terminó la clase, el profesor regresó a Pakistán pero siguió con el proyecto. Greene ahora está trabajando virtualmente con el profesor para ayudar a descubrir el mejor tipo de arcilla para filtrar el fluoruro. A través de sus experiencias con D-Lab, Greene se ve a sí mismo como voluntario en proyectos de saneamiento de agua a largo plazo.

Greene planea terminar su doctorado este diciembre. Después de 12 años en el MIT, Greene pretende dejar el Instituto para trabajar en una empresa de computación cuántica. “Es un gran momento para estar en el campo” en la industria, dicen. “Las empresas están comenzando a escalar la tecnología [de computación cuántica]”.

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MIT

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