El primer ordenador cuántico de España ya está en marcha y dando servicio. Dispone de 5 qubits y está ubicado en el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) de Barcelona. Desde Xataka hemos visitado las instalaciones para ver cómo funciona, qué requiere y cuáles son las promesas de la computación cuántica.
Qilimanjaro Quantum Tech, junto a GMV, ha sido la elegida para este gran proyecto a nivel nacional que tiene como objetivo construir un ordenador cuántico de 30 qubits para 2025, que se ubicará en el Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS). Lo que tenemos ahora es una primera piedra. Un ordenador cuántico funcional, el primero en nuestro país, que sienta las bases de los futuros modelos que progresivamente se van a construir.
"Formamos parte del presupuesto que mueve Quantum Spain. Nuestra parte es para construir la máquina que tiene que dar servicio de computación cuántica a la comunidad científica y tecnológica de España que quiera utilizarla", nos explica Manel Martínez, CTO de Qilimanjaro, profesor de investigación en IFAE y quien nos ha abierto las puertas de las instalaciones para visitar el ordenador cuántico.
"Nuestra empresa es una spin-off. Estamos aliados con GMV, que es una importante empresa de ingeniería ya muy consolidada. Somos el 95% del proyecto, pero ese 5% que constituye GMV es crítico para poder construir el primer ordenador cuántico de España. Ciertamente han sido vitales, especialmente a nivel financiero", expone Martínez. "Estamos entre Barcelona y el campus de Bellaterra, en la Universidad Autónoma. Con divisiones para teoría, software y la parte de instrumentación. Contamos con dos laboratorios, que son donde tenemos los equipos". El primero de ellos está en el Departamento de óptica de la Facultad de Ciencias de la UAB, mientras que su instalación más importante está cerca, en el Instituto de Física de Altas Energías, a unos 400 metros uno del otro.
"En la empresa ahora somos del orden de 50 personas, pero estamos en plena expansión. A principios de año éramos 20", describe el profesor. "La perspectiva es que para mitad del año que viene seamos unas 100 personas". De este equipo, unas 25 personas están dedicadas a la división de hardware, dedicada a construir ordenadores cuánticos.
Funcionando a 20 miliKelvin
Debemos entender que estamos ante el nacimiento de un nuevo sector. La apariencia física de un ordenador cuántico dista mucho de la de los ordenadores clásicos actuales. Para conseguir las condiciones necesarias, se necesita una instrumentación bastante voluminosa.
De manera resumida, el ordenador cuántico de Qilimanjaro se divide en tres grandes partes. La principal es la refrigeradora. Es el tubo aislado electromagnéticamente y al vacío donde se esconden las obleas de silicio que contienen los qubits. El caso es que para conseguir las propiedades físicas necesarias, estos qubits deben situarse alrededor de los 20 miliKelvin. Prácticamente cerca del cero absoluto (-273,15 ºC).
Para conseguirlo es donde entra en acción la segunda zona. Cerca de la refrigeradora blanca se sitúa el sistema de gases para gestionar la presión y la temperatura necesaria. Martínez nos detalla las distintas fases de enfriamiento para alcanzar el rango necesario.
En este proceso se utiliza helio-3, un isótopo de helio con un nivel de eficiencia inigualable para la temperatura. Sin embargo, es extremadamente raro en la Tierra y su suministro proviene principalmente de cabezas nucleares envejecidas.
La tarea de conseguir este helio-3 no recae en Qilimanjaro, sino en este caso en Bluefors. Se trata de una empresa holandesa especializada en la generación de equipos de refrigeración para computación cuántica. Bluefors es la compañía que ofrece la refrigeradora, así como algunos componentes de la tercera parte del sistema: la electrónica de comunicación y el control de la refrigeradora.
Del chip cuántico salen una serie de cables que se conectan a un rack de la compañía Qblox. Este es el encargado de sincronizar en tiempo real el control de los qubits. El sistema puede ser controlado a distancia y es que Qilimanjaro ofrece la posibilidad de ejecutar algoritmos cuánticos desde la nube, a través del ecosistema Qibo.
Es decir, este ordenador cuántico situado en el IFAE de Barcelona da servicio continuo a empresas o grupos de investigación de toda España que quieran ejecutar sus algoritmos cuánticos. Un sistema que lleva funcionando desde este verano y ya ha sido utilizado para resolver problemas concretos.
No todos los qubits son iguales
El ordenador cuántico con la refrigeradora de Bluefors dispone de 5 qubits, pero no es la única que encontramos en el laboratorio. A un lado tenían una pequeña refrigeradora para investigación, con una o dos qubits. Después el ordenador cuántico en uso de 5 qubits y justo estas semanas ya han instalado la nueva refrigeradora de la compañía Leiden Cryogenics, considerablemente más grande.
Mientras que la refrigeradora de Bluefors pesa unos 400 kilogramos, la de Leyden sube a las 1,2 toneladas. Si la actual tiene una capacidad para albergar hasta unos 50 qubits, esta nueva refrigeradora puede utilizarse para albergar un ordenador cuántico de cientos de qubits. Adicionalmente, dispone de un sistema de elevación que facilita enormemente la gestión, nos explican.
Se considera el sistema instalado de 5 qubits como el primer ordenador cuántico de España, pero preguntamos a Martínez por qué el sistema de uno o dos qubits no cumple los requisitos. "El concepto ahí es que un qubit es demasiado poco para considerar que es un ordenador cuántico. Dos qubits, digamos, empieza a ser una cosa donde puedes programar algo porque tienes dos qubits que pueden hablarse, pero en general en nuestra comunidad se considera que más allá de dos qubits, por ejemplo, cinco qubits, empiezas a tener un ordenador cuántico. Ahí hay que ver si está preparado y está calibrado de manera que tú conozcas bien la respuesta del sistema cuántico y lo puedas poner al servicio de gente que, sin saber exactamente cómo funciona internamente, pueda enviar sus algoritmos y tener resultados que tengan sentido. Eso es un ordenador cuántico".
"La gente de Quantum Spain no sabe cómo hemos construido el ordenador cuántico, no sabe qué hay dentro. Ellos construyen unos algoritmos siguiendo las técnicas de algoritmos cuánticos, los envían a nuestra máquina, nosotros los corremos, les damos los resultados y ellos con los resultados ven que tienen sentido, o sea, que realmente están haciendo el tipo de computación que querían. La manera en que nosotros les estamos dando servicio es lo que se llama 'Quantum as a Service'. Es un sistema en la nube donde hay unas colas, donde tú envías tu trabajo, tu conjunto de algoritmos con los datos y tal, y entonces cuando eso ha corrido en el ordenador cuántico, tú recibes tus resultados con todos los números que te interese".
Este ordenador cuántico en funcionamiento no permitía ver cómo era el interior de estos sistemas. Con ello nos referimos a la ya casi icónica imagen de los cables dorados. Afortunadamente, en el Departamento de Óptica de la Universidad Autónoma de Barcelona, a unos pocos metros, el equipo de Qilimanjaro estaba trabajando con otra refrigeradora y tenían expuestas las placas doradas donde se colocan los qubits.
La parte visible son decenas de conectores coaxiales. A más grande es la refrigeradora, más espacio hay para colocar qubits. Pero el tener más o menos qubits no añade excesiva complejidad. Martínez nos explica que ahora mismo los ordenadores cuánticos no son eficientes energéticamente, pero que sí lo serán en el futuro porque la energía necesaria para miles de qubits y para los cinco de ahora es prácticamente la misma. Lo que más cuesta es conseguir las condiciones necesarias de presión y temperatura, luego la cantidad de placas de silicio que se coloquen en esa base dorada es otro asunto.
Los propios chips cuánticos que no se están utilizando se almacenan en cámaras al vacío. Tenemos pequeñas placas de un par de centímetros con circuitos de aluminio sobre un sustrato de silicio, que estéticamente no sabríamos identificar de base como algo muy distinto de los chips tradicionales.
Estos chips no se almacenan a temperaturas ultra reducidas, para eso está la refrigeradora, pero sí se almacenan en el vacío porque el mayor problema que tienen es la oxidación.
Lo que viene a partir de ahora
El ordenador cuántico del IFAE es el primero que se ha puesto en marcha. El primero en dar servicio a otras empresas y ofrecer respuestas. ¿Qué tipo de problemas resuelve bien un ordenador cuántico? Un ejemplo es la optimización de rutas, como ya hacen algunas compañías como Volkswagen.
El proyecto de Qilimanjaro se está probando en la Universidad Autónoma de Barcelona, pero realmente será en el Barcelona Supercomputing Center (BSC) donde está planeado. "Allí habrá dos refrigeradoras, cada una con un chip cuántico. Porque uno de los requisitos del contrato es que se de servicio 24 horas los 7 días de la semana", explica Martínez. "Todos estos ordenadores cuánticos tienen un tiempo de calibración y de mantenimiento, por lo que con uno solo es imposible dar servicio continuo".
El primer ordenador cuántico es de la marca holandesa QuantWare, mientras que el próximo a probar es de la empresa finlandesa-alemana IQM. También tiene 5 qúbits, pero estos ofrecen un mejor tiempo de coherencia. "Hay lo que se llama 'Quantum Volume', que es lo que al final define la calidad con la cual tú puedes ejecutar los algoritmos", nos explican.
En el BSC se instalará inicialmente un ordenador de 5 qubits de IQM y paralelamente otro de QuantWare, con 10 qubits. El motivo es que IQM pasa de los 5 a los 20 qubits, mientras que QuantWare dispone de 5,10,30 y 64 qubits. La calidad de IQM es más alta, pero la empresa holandesa ofrece más flexibilidad. Por ello desde Qilimanjaro irán alternando entre uno y otro fabricante.
"En la fase final del contrato que tenemos firmado con el BSC, que es diciembre del 2025, ellos tendrán en servicio simultáneo un ordenador cuántico de 20 cubits de IQM, que es muy potente, y un ordenador cuántico de 30 cubits de QuantWare, que será una potencia parecida y un poco mayor", describe Martínez sobre el proyecto del ordenador cuántico del BSC. Uno subvencionado con fondos europeos y cuyos componentes son íntegramente europeos.
La computación cuántica avanza rápidamente. El primero en ponerse en marcha en España ha sido el proyecto nacional, pero hay otros ordenadores cuánticos promovidos por empresas privadas, como el de Fujitsu de 32 qubits en Galicia que ya está en marcha o el de IBM de 127 qubits en el País Vasco para finales de 2024.
Aún con el aceleramiento de esta tecnología, hay una cosa clara y que Martínez nos recuerda: "la computación cuántica suma, no reemplaza. Los ordenadores cuánticos no están llamados a reemplazar a los ordenadores actuales. Todo lo contrario: la computación cuántica y la binaria o booleana están destinadas a entenderse y complementarse. Así, la computación cuántica puede verse como un recurso para acelerar ciertos algoritmos y cálculos concretos, que en computación clásica se tardaría millones de años en procesar y en computación cuántica se tarda minutos".
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