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.
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.
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.
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.
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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