Crédito: Mathijs Labadie.

TR10: Ordenadores cuánticos funcionales

Tras años sobre el papel, por fin parece que estas máquinas van a hacerse realidad, y con ellas su potencial de revolucionar industrias como la farmacéutica, la química y la de ciberseguridad

Avance

La fabricación de cúbits estables, la unidad básica de los ordenadores cuánticos.

Por qué importa

Los ordenadores cuánticos podrían ser exponencialmente más rápidos en la ejecución de programas de inteligencia artificial y ser capaces de lidiar con simulaciones complejas y problemas de planificación. Hasta podrían crear una encriptación irrompible.

Actores claves

- QuTech

- Intel

- Microsoft

- Google

- IBM

Disponibilidad

Entre cuatro y cinco años

Uno de los laboratorios de QuTech, un instituto de investigación holandés, ha realizado algunos de los trabajos de computación cuántica más avanzados del mundo, aunque parece una instalación de pruebas de dispositivos de climatización. Ubicado en una tranquila esquina del edificio de Ciencias Aplicadas de la Universidad Técnica de Delft (Holanda), el espacio carece de personas. Unas ondas resonantes retumban como si un enjambre de chicharras eléctricas habitara la sala. Hay marañas de tubos, cables y hardware de control que emergen de cilindros azules.

Dentro de los cilindros, que básicamente son neveras, pasan cosas fantasmagóricas de mecánica cuántica en las que nanohilos, semiconductores y superconductores se encuentran al borde del cero absoluto. Es aquí, en los límites de la física, donde los materiales sólidos abren la puerta a las llamadas cuasipartículas, cuyo inusual comportamiento tiene el potencial de convertirlas en componentes claves de los ordenadores cuánticos. Y este laboratorio en particular ha logrado algunos grandes avances para hacer realidad este tipo de ordenadores . Dentro de unos años, las computadoras cuánticas podrían reescribir la encriptación, la ciencia de materiales, las investigaciones farmacéuticas y la inteligencia artificial (IA).

Cada año, la computación cuántica figura entre los candidatos a esta lista de tecnologías emergentes, y cada año llegamos a la misma conclusión: todavía no. De hecho, hasta hace poco los cúbits y los ordenadores solo existían sobre el papel, o en frágiles experimentos diseñados para determinar su viabilidad. (La empresa canadiense D-Wave Systems lleva un tiempo vendiendo máquinas que denomina cuánticas que utilizan una tecnología especializada, el algoritmo de temple cuántico. Su enfoque, según los escépticos, solo es aplicable a un puñado de operaciones y podría no ofrecer ninguna ventaja de velocidad frente a los sistemas clásicos). Este año, sin embargo, un aluvión de diseños que solo existían en la teoría han empezado a construirse en el mundo real. Otra novedad de este año es la mayor financiación de las empresas, como Google, IBM, Intel y Microsoft, entre otras. Estas compañías están destinando recursos tanto para la investigación como para el desarrollo de una variedad de tecnologías requeridas para construir una máquina funcional: la microelectrónica, los circuitos complejos y el software de control.

Diseños que solo existían en la teoría han empezado a construirse en el mundo real.

El proyecto de la Universidad Técnica de Delft, liderado por Leo Kouwenhoven, que fue contratado recientemente por Microsoft, intenta superar uno de los históricos obstáculos en el desarrollo de ordenadores cuánticos: el hecho de que los cúbits, las unidades básicas de información cuántica, son extremadamente susceptibles al ruido y por tanto al error. Para que los cúbits resulten útiles, deben lograr la superposición cuántica (una propiedad algo parecida a encontrarse en dos estados físicos simultáneamente) y también el entrelazamiento cuántico (un fenómeno en el que parejas de cúbits se entrelazan de forma que lo que le pasa a afecta instantáneamente al otro, incluso cuando se encuentran físicamente separados). Estas delicadas condiciones se alteran con facilidad frente a la perturbación más nimia, como vibraciones o campos eléctricos fluctuantes.

Foto: Esta nevera azul alcanza temperaturas cercacas al cero absoluto, lo que permite realizar experimentos cuánticos en diminutos chips alojados en su interior. En las siguientes imágenes, se ven escenas del laboratorio de la Universidad  Técnica de Delft donde se preparan estos experimentos. Crédito: Mathijs Labadie.

La gente lleva mucho tiempo intentando superar este problema, ya que ordenadores cuánticos permitirían resolver problemas tan complejos que superan el alcance de los mejores ordenadores de hoy. Pero ahora Kouwenhoven y sus compañeros creen que los cúbits en los que trabajan podrían llegar a estar totalmente protegidos, y llegar a ser tan estables como los nudos en una cuerda. "A pesar de deformar la cuerda, tirar de ella, o lo que sea", los nudos permanecen intactos y "la información no cambia", explica Kouwenhoven. Tal estabilidad permitiría escalar los ordenadores cuánticos, pues haría falta mucha menos potencia para corregir errores.

El trabajo de Kouwenhoven requiere manipular cuasipartículas únicas que ni siquiera se conocían hasta 2012. Y es sólo uno de los varios e impresionantes pasos que se están dando. En el mismo laboratorio, Lieven Vandersypen, financiado por Intel, fabrica circuitos cuánticos en obleas de silicio tradicionales.

¿Qué es un ordenador cuántico?

En el centro de la computación cuántica se encuentra el bit cuántico, o cúbit, una unidad básica de información análoga a los ceros y unos representados por transistores en un ordenador convencional. Los cúbits tienen una potencia mucho mayor que los bits clásicos gracias a dos propiedades únicas: pueden representar tanto un cero como un uno de forma simultánea, y pueden afectar a otros cúbits mediante un fenómeno conocido como el entrelazamiento cuántico. Eso permite a los ordenadores cuánticos tomar atajos hacia las respuestas correctas en determinados tipos de cálculos.

Crédito:
Russ Juskalian.

Los ordenadores cuánticos resultarán especialmente útiles para factorizar grandes números (lo que hará que muchas de las técnicas actuales, como la encriptación, se resquebrajen y ofrecerá alternativas indescifrables), para resolver complejos problemas de optimización y ejecutar algoritmos de aprendizaje automático. Y habrá aplicaciones que ni siquiera nos podemos imaginar todavía.

Pero no falta mucho para que empecemos a tener una idea más aproximada de lo que podrán hacer. Hasta ahora, los investigadores han construido ordenadores de cinco cúbits totalmente programables y sistemas de prueba más frágiles de entre 10 y 20 cúbits. Ninguno de ellos tiene grandes capacidades. Pero el director de la iniciativa de computación cuántica de Google, Harmut Neven, afirma que su equipo podría construir un sistema de 49 cúbits el año que viene. El hito de los 50 cúbits no es arbitrario. Es un umbral, conocido como la supremacía cuántica, más allá del cual ningún superordenador clásico sería capaz de lidiar con el crecimiento exponencial de su memoria y ancho de banda de comunicaciones requerido para estimular su contraparte cuántica. En otras palabras, los mejores superordenadores actuales pueden hacer todas las mismas cosas que un ordenador cuántico de entre cinco y 20 cúbits, pero a partir de los 50 cúbits esto se vuelve físicamente imposible.

Todos los investigadores cuánticos académicos y corporativos con los que he hablado coinciden en que entre el rango de 30 cúbits y 100 cúbits (especialmente si son lo suficientemente estables para rendir en un amplio abanico de computaciones durante duraciones más larga)  es en el que los ordenadores cuánticos empiezan a tener valor comercial. Y es posible que en entre solo dos y cinco años salga a la venta alguno de ellos. Algún día, deberíamos disponer de sistemas de 100.000 cúbits, que revolucionarán las industrias de materiales, química y farmacéutica al permitir modelos a escala molecular para el descubrimiento de nuevos materiales y fármacos. ¿Y qué pasaría con un sistema de un millón de cúbits, cuyas aplicaciones generales de computación aún resultan difíciles de comprender? Para Neven, es concebible, "de aquí a unos 10 años".

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