La carrera por liderar en computación cuántica no es solo cosa de dos. Actualmente Estados Unidos y China llevan la voz cantante, pero otros países, entre los que se encuentran Alemania, Francia o Reino Unido, también están realizando aportaciones importantes con un propósito muy claro: adquirir una base tecnológica sólida en esta disciplina.
A medio plazo la computación cuántica, si sigue desarrollándose como lo ha hecho durante la última década y poco a poco va sorteando los desafíos que aún quedan por resolver, marcará la diferencia no solo en el ámbito de la investigación científica; también en telecomunicaciones, economía o en el muy sensible terreno de la criptografía, entre otras áreas críticas para muchas naciones.
Los países que he mencionado en el primer párrafo de este artículo, y algunos otros, se han embarcado en una carrera de fondo para evitar quedarse descolgados, pero más allá de este pulso internacional hay una pugna estrictamente técnica que está pasando relativamente desapercibida fuera del ámbito científico.
Lo interesante es que en este contexto el protagonismo no lo tienen los países que persiguen liderar en computación cuántica; lo reclaman las tecnologías más avanzadas que están siendo utilizadas para fabricar cúbits. No obstante, que en un ámbito en el que queda tanto por hacer tengamos varias opciones encima de la mesa es una gran noticia. Lejos de ser un problema, cualquier innovación que nos permita poner a punto más y mejores cúbits es bienvenida.
Los cúbits superconductores tienen una baza a su favor: una gran escalabilidad
Tener ordenadores cuánticos con muchos cúbits es crucial. Y lo es no solo porque incrementando el número de cúbits es posible llevar a cabo muchos más cálculos simultáneamente, sino también debido a que para conseguir que estos equipos sean capaces de enmendar sus propios errores es imprescindible tener más cúbits. Muchísimos más.
Osprey, el procesador cuántico más avanzado hasta la fecha, es de IBM y tiene nada menos que 433 cúbits
El procesador cuántico más avanzado desarrollado hasta la fecha, conocido como Osprey, fue presentado por IBM a mediados del pasado mes de noviembre, y tiene 433 cúbits. Esta compañía prevé tener listo un chip cuántico de nada menos que 1.121 cúbits en 2023. Si se confirma esta progresión, venga de la mano de IBM o de cualquier otra compañía, los primeros procesadores cuánticos con más de un millón de cúbits llegarán en unos años, y justo en ese momento los ordenadores cuánticos alcanzarán un punto de inflexión.
Durante la conversación que mantuvimos con Ignacio Cirac, un científico español considerado unánimemente uno de los padres fundacionales de la computación cuántica, durante el pasado mes de junio nos explicó cuántos cúbits debe tener un procesador cuántico para ser capaz de resolver problemas verdaderamente significativos e implementar la tan ansiada corrección de errores:
El número de cúbits dependerá del tipo de problemas que queramos resolver con los ordenadores cuánticos. Para abordar problemas simbólicos necesitaremos tener varios millones de cúbits. Probablemente, incluso, cientos de millones de cúbits. En estos momentos estamos hablando de cien cúbits, por lo que queda un camino largo por recorrer. Hay gente que dice que con 100.000 cúbits tal vez se pueda resolver algún problema específico, pero realmente hacen falta muchísimos cúbits.
No cabe duda de que queda mucho por hacer. Muchísimo. Pero los investigadores están en ello. Y, además, no están siguiendo un único camino. Actualmente hay dos tecnologías que están demostrando tener un potencial enorme no solo por su capacidad de permitirnos incrementar el número de cúbits de los procesadores cuánticos, sino también debido a que están permitiendo a los investigadores poner a punto cúbits de más calidad.
A medida que se incrementa la calidad de un cúbit mayor es su capacidad de resistir la decoherencia cuántica, que es el fenómeno que aparece cuando se desvanecen los efectos cuánticos que dan a estos ordenadores una ventaja insalvable frente a los superordenadores clásicos. Esta es la razón por la que no solo es crucial tener procesadores con más cúbits, sino también poner a punto cúbits de más calidad.
Intel está trabajando para incrementar la escalabilidad de sus procesadores cuánticos aplicando en su fabricación el conocimiento que esta compañía ha acumulado durante décadas de producción de dispositivos CMOS.
La tecnología que están utilizando compañías como IBM, Google o Intel, entre otras, para fabricar sus procesadores cuánticos recurre a los cúbits superconductores, que se caracterizan por trabajar a una temperatura de unos 20 milikelvin, que son aproximadamente -273 grados centígrados. Es imprescindible que operen con el mayor grado de aislamiento del entorno posible y a una temperatura tan asombrosamente baja.
IBM pretende tener un procesador cuántico con 1.121 cúbits en 2023, y es probable que sus competidores le pisen los talones
Y lo es debido a que este mínimo nivel de energía les permite dilatar el tiempo durante el que se mantienen los estados cuánticos del sistema, y, a la par, también postergar el momento en el que aparece la decoherencia cuántica. Los estados cuánticos se mantienen durante un periodo de tiempo limitado, y este tiempo es, precisamente, el que tenemos para llevar a cabo operaciones lógicas cuánticas con los cúbits de nuestro ordenador.
Uno de los mayores éxitos que están alcanzando los cúbits superconductores es, precisamente, lo rápido que están permitiendo escalar el número de bits cuánticos. Como hemos visto, IBM pretende tener un procesador cuántico con 1.121 cúbits en 2023, y posiblemente Intel, Google y los chips cuánticos que está desarrollando China experimentarán un desarrollo similar.
De hecho, Intel ha anunciado que está trabajando para incrementar la escalabilidad de sus procesadores cuánticos aplicando en su fabricación todo el conocimiento que esta compañía ha acumulado durante décadas de producción de dispositivos CMOS. De hecho, el bagaje que tienen tanto esta compañía como IBM en el ámbito de la producción de semiconductores juega a su favor debido a que todo ese conocimiento les está resultando muy útil a la hora de abordar el refinamiento progresivo de sus cúbits superconductores.
Las trampas de iones son la principal alternativa a los cúbits superconductores
Este es el camino que están siguiendo IonQ y Honeywell, y, al parecer, están obteniendo buenos resultados. En este artículo no vamos a profundizar en el funcionamiento de esta tecnología para no complicarlo demasiado (podemos hacerlo en otro reportaje si os interesa este tema y nos lo confirmáis en los comentarios), pero es interesante que muy a grandes rasgos podamos intuir cuál es su estrategia para identificar en qué se diferencian los cúbits superconductores y los que recurren a las trampas de iones.
Estos últimos utilizan átomos ionizados, por lo que tienen una carga eléctrica global no neutra que permite mantenerlos aislados y confinados en el interior de un campo electromagnético. Este es el punto de partida de esta tecnología, y a partir de aquí las estrategias utilizadas por IonQ y Honeywell, que son las empresas que han decidido recorrer este camino con más ímpetu, para manipular estos átomos ionizados y llevar a cabo operaciones lógicas con ellos difieren ligeramente.
Los cúbits con trampas de iones que están utilizando IonQ y Honeywell son más robustos que los cúbits superconductores, lo que les permite esquivar con eficacia la decoherencia cuántica durante más tiempo.
IonQ actúa sobre el estado cuántico de sus cúbits con trampas de iones enfriándolos para reducir el nivel de ruido computacional y utilizando láseres justo a continuación para operar con ellos. Pero no emplea un único láser; usa uno para cada ion, y también un láser global que actúa sobre todos ellos simultáneamente. Honeywell también utiliza átomos ionizados y láseres, pero el procedimiento que emplea para establecer el entrelazamiento entre dos iones y actuar sobre ellos con un láser es diferente al usado por IonQ.
En cualquier caso, lo más interesante es que tanto Honeywell como IonQ aseguran que sus cúbits con trampas de iones son más robustos que los cúbits superconductores utilizados por sus competidores. Y esto significa, como hemos visto unas líneas más arriba, que consiguen preservar la estabilidad de un estado cuántico durante más tiempo, lo que les permite llevar a cabo, siempre según estas empresas, más operaciones con sus cúbits antes de que aparezca la decoherencia cuántica.
Los iones implantados en macromoléculas y los átomos neutros llegan pisando fuerte
Aunque, como hemos visto, los cúbits superconductores y los que utilizan trampas de iones son los que actualmente tienen el mayor grado de desarrollo, no son las únicas tecnologías a nuestro alcance. Muchos grupos de investigación están trabajando en esta área, y algunas líneas de investigación prometedoras proponen ideas diferentes a las dos en las que acabamos de indagar.
Juan José García Ripoll, un investigador del Instituto de Física Fundamental del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) que desarrolla su actividad investigadora dentro del grupo de Información cuántica y fundamentos de teoría cuántica, nos habla de una de ellas:
Hay expertos en España que trabajan en computación cuántica con moléculas. Implantan iones en macromoléculas, guardan la información en ellas y pueden hacer pequeños cálculos. Es una línea muy singular tanto en Europa como en el mundo que se podría potenciar. Hay muchas áreas en las que todavía se puede conseguir algo diferencial y en las que España puede contribuir de manera singular.
Ignacio Cirac, por otro lado, nos confirmó durante la conversación que mantuvimos con él la mayor robustez de los cúbits con trampas de iones frente a los cúbits superconductores. Y, de paso, nos habló de otra tecnología muy prometedora, lo que nos recuerda que, afortunadamente, hay abiertas varias líneas de investigación atractivas que persiguen poner a punto cúbits más robustos y estables:
Probablemente los cúbits superconductores nos ayudarán a tener más cúbits, pero creemos que tendrán más errores que los cúbits de iones. También hay una tercera tecnología, los átomos neutros, en la que están trabajando varios grupos de investigación y que está consiguiendo reunir más cúbits manteniendo la exactitud y la falta de errores de los otros sistemas. Espero que muy pronto consigamos desarrollar tecnologías más avanzadas que consigan superar a las que tenemos hoy en día.
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Alberto
Mi sensación es que la tecnología que está avanzando sin duda más rápidamente, con una hoja de ruta medianamente marcada, y que tiene detrás de ella a grandes compañías con experiencia e invirtiendo muchísimo dinero, es la basada en superconductores.
La basada en trampas de iones, a pesar de ser más robusta, está teniendo muchos problemas en escalar. Y si se necesitan millones de qubits puede quedarse, salvo que se descubra algo para dar un salto enorme, un poco estancada.
Aparte de las comentadas en el artículo, los qubits basados en tecnologías ópticas también están haciendo muchos progresos. En este caso parece que uno de sus hándicaps es que no está siendo fácil desarrollar un ordenador cuántico de propósito general.
En el caso de España pienso que no tiene ningún sentido desarrollar un ordenador cuántico basado en tecnologías ya conocidas (no tenemos capacidad y terminarían siendo meramente didácticos, para lo cual ya tenemos lo que ofrece IBM), y lo único que sí lo tendría sería buscar, aunque sea de forma infructuosa, caminos que no ha explorado nadie.
Para finalizar, por supuesto animar a Juan Carlos a hacer un artículo más profundo sobre cómo funciona un ordenador cuántico basado en trampas de iones. Incluso no estaría mal otro para los basados en tecnologías ópticas. :)
Gracias por ofrecernos artículos tan interesantes.
TelloCaA
Visión de Estados Unidos sobre su ordenador cuántico: Avance Tecnológico
Visión de Estados Unidos sobre el ordenador cuántico de otros países no aliados: Terrorismo Tecnológico.
geodatan
El otro día estuve hablando con un cliente de la tienda donde trabajo y me confió que en el centro de supercomputación de Barcelona están desarrollando un ordenador cuántico. Ganas tengo de que lo terminen xd
Googolplex
Que pasará con las criptomonedas cuando se comercialicen éstas computadoras?
gurken
En los qbits de trampa de iones estos se apilan unos encima de otros formando una columna en la que la distancia entre los qbits es de unos pocos nanómetros. Los iones tienen solo un grado de libertad de movimiento según el eje axial Z y se utilizan los estados hiperfinos del ión (son la interacción del momento magnético del ión con el momento magnético del núcleo atómico, que genera los dos estados posibles |0> y |1> del qbit separados por una frecuencia de unos 1054 Mhz). Todo el conjunto de iones se encuentra sometido a un campo eléctrico oscilante que crea lo que se conoce como un "fonón" a una frecuencia muy precisa. Para conseguir la realización de la puerta base C-NOT y poder disponer de una lógica universal con todas las puertas lógicas que se necesitan para la ejecución de un algoritmo, se utiliza la interacción del fonón, que actúa como qbit de control, con uno cualquiera de los iones (qbit objetivo) seleccionado cada uno de ellos mediante un láser.
Este paso básico del desarrollo fue el conseguido por J. I. Cirac y P. Zoller en 1995. dando lugar a los posteriores desarrollos de esta tecnología que utiliza iones como qbits.
Para interesados en profundizar sobre este tema ver el artículo:
Blatt, Rainer & Wineland, David – Entangled States of trapped atomic ions / Insight Review - Nature . 453| 19 June (2008).
Usuario desactivado
Son etapas necesarias.
El punto de inflexión llegará cuando se implementen otras tecnologías, que ni aventuramos cuáles serán.
Será cuando se pase de la lámpara de vacío al transistor. Y del transistor al circuito integrado y al microprocesador. En la computación clásica esto llevó décadas.
Para saltar de unos cientos de cúbits a miles de millones no será con la tecnología actual. Pero es necesario pasar por todas las etapas y aprender de ellas.
davidv01
¡Secundo el artículo sobre la tecnología de trampa de iones!