Cualquier laboratorio universitario o start-up dedicado a construir ordenadores cuánticos recuerda a la década de 1960, al apogeo de la informática de servidores, cuando pequeños ejércitos de técnicos trabajaban en máquinas que podían ocupar habitaciones enteras.

Para aprovechar las exóticas fuerzas de la mecánica cuántica para procesar datos hace falta equipación de todo tipo, desde láseres superprecisos hasta refrigeradores de sobreenfriado. Los cables que conectan los engranajes forman espaguetis multicolor que se extienden por los suelos y atraviesan los techos. Físicos e ingenieros pululan alrededor de filas de pantallas, controlando y ajustando constantemente el rendimiento de los ordenadores.

Los servidores marcaron el comienzo de la revolución de la información y se espera que los ordenadores cuánticos también generen un cambio drástico. Su inmenso poder de procesamiento promete superar al de cualquier superordenador convencional. Esta capacidad ofrecerá avances a todo tipo de sectores, desde el descubrimiento de fármacos hasta la ciencia de materiales y la inteligencia artificial.

El gran desafío de esta industria naciente consiste en crear máquinas capaces de escalarse de forma fiable y relativamente económica. Los bits cuánticos, o cúbits, que transportan información en los ordenadores, son difíciles de producir y manejar. Las más ligera vibración o cambio de temperatura, fenómenos conocidos como "ruido" en la jerga cuántica, pueden hacer que los cúbits pierdan su frágil estado cuántico. Y cuando eso sucede, aparecen errores en los cálculos.

La solución más común ha consistido en crear ordenadores cuánticos con el mayor número de cúbits posible en un solo chip. Si algunos cúbits fallan, los demás pueden mantener la información como copias de seguridad mediante algoritmos desarrollados para detectar y minimizar errores. Esta estrategia, promovida por grandes empresas como IBM y Google y start-ups de alto perfil como Rigetti Computing, ha permitido crear complejas máquinas que recuerdan a aquellos antiguos servidores del tamaño de una habitación.

El problema es que las tasas de error son extremas. Los actuales chips más grandes tienen menos de 100 cúbits, y es posible que se necesiten miles o incluso decenas de miles para producir el mismo resultado que un solo cúbit sin errores. Cada cúbit necesita su propio cableado de control, por lo que cuanto más hay, más compleja se vuelve su gestión. También aumenta la necesidad de equipo para monitorizar y administrar los recuentos de cúbit en rápida expansión. Eso aumenta muchísimo la complejidad y el coste de los ordenadores, lo que limita su atractivo.

El profesor de la Universidad de Yale (EE. UU.) Robert Schoelkopf cree que hay una manera mejor de avanzar. En vez de tratar de colocar cada vez más cúbits en un solo chip, Quantum Circuits, la start-up que cofundó en 2017, desarrolla unas minimáquinas cuánticas que podrían conectarse en red a través de interfaces especializadas, una especie de Lego de muy alta tecnología. Schoelkopf asegura que este enfoque ayuda a recudir las tasas de error, lo que reduce el número de cúbits necesarios y, por lo tanto, el hardware de soporte, para crear máquinas cuánticas potentes.

Foto: Robert Schoelkopf en el laboratorio de la oficina de New Haven de Quantum Circuits. Créditos: Julie Bidwell

Los escépticos señalan que, a diferencia de sus rivales como IBM, Quantum Circuits aún no ha presentado un ordenador que funcione. Pero si logra uno a la altura de las afirmaciones de Schoelkopf, el enfoque podría ayudar a sacar la computación cuántica de los laboratorios y llevarla al mundo comercial mucho más rápido.

El impulso para crear cúbits más duraderos

La idea de unir pequeños bloques cuánticos para crear ordenadores más grandes existe desde hace años, pero nunca se ha hecho realidad. "Todavía no existe ninguna gran máquina tolerante a errores construida con el enfoque modular", explica el jefe del equipo experimental de computación cuántica en IBM Research, Jerry Chow. No obstante, cree que si hay alguien capaz de lograrlo, ese será Schoelkopf.

Después de sus estudios de ingeniería y física, que incluyeron períodos en la NASA y Caltech (ambos en EE. UU.), Schoelkopf se unió a la facultad de Yale en 1998 y comenzó a trabajar en computación cuántica. Sus colegas y él fueron pioneros en el uso de circuitos superconductores en un chip para crear cúbits. Al hacer que la corriente eléctrica atraviese microchips especializados que se encuentran dentro de los refrigeradores que son más fríos que el espacio profundo, son capaces de atraer partículas a los estados cuánticos para la inmensa potencia de los ordenadores.

A diferencia de los bits de los ordenadores convencionales, que son flujos de pulsos eléctricos u ópticos que representan unos o ceros, los cúbits son partículas subatómicas como fotones o electrones capaces de estar en ambos estados de forma simultánea, un fenómeno conocido como superposición cuántica. Los cúbits también pueden entrelazarse, lo que significa que un cambio en el estado de uno puede cambiar instantáneamente el estado de los demás, incluso cuando no hay una conexión física entre ellos.

Foto: Un sistema de vacío utilizado para crear circuitos superconductores. Créditos: Julie Bidwell

En nuestro glosario de computación cuántica tiene mucha más información disponible. Sin embargo, lo principal que hay que saber es que estos fenómenos permiten que los cúbits actúen como si estuvieran realizando muchos cálculos simultáneamente, algo que un ordenador ordinario tendría que realizar de forma secuencial. Eso significa que cada cúbit adicional aumenta exponencialmente la capacidad de procesamiento del ordenador.

Schoelkopf también ha recibido aplausos por su trabajo sobre el problema del ruido. Los tiempos de coherencia de los cúbits, es decir, el tiempo durante el que pueden realizar cálculos antes de que el ruido interrumpa su delicado estado cuántico, han mejorado en un factor de 10 cada tres años. (Los investigadores han denominado a este fenómeno como la "ley de Schoelkopf" en honor a la "ley de Moore" de la informática clásica, que sostiene que el número de transistores en un chip de silicio se duplica aproximadamente cada dos años). El inversor de Quantum Circuits Brendan Dickinson, de Canaan Partners, sostiene que el impresionante historial de Schoelkopf sobre los cúbits superconductores es una de las principales razones por las que decidió respaldar el negocio, que hasta ahora ha recaudado más de 16 millones de euros.

Irónicamente, los estudiantes asesorados por Schoelkopf y sus cofundadores de Yale Michel Devoret y Luigi Frunzio ahora trabajan en compañías como IBM y Rigetti que compiten con su start-up. Schoelkopf está claramente orgulloso de la diáspora cuántica que salió de su laboratorio de Yale. Hace unos años me dijo que había analizado todas las organizaciones de todo el mundo que trabajaban en cúbits superconductores y descubrió que más de la mitad de ellas estaban dirigidas por personas que habían pasado por su laboratorio. Pero también cree que esto ha generado una especie de pensamiento grupal.

Ventajas de los ordenadores cuánticos modulares

La mayoría de los investigadores que trabajan en máquinas superconductoras se centran en crear tantos cúbits como sea posible en un solo chip. El enfoque de Quantum Circuits es muy diferente. El núcleo de su sistema es un pequeño módulo de aluminio que contiene circuitos superconductores hechos de chips de silicio o zafiro. Cada módulo contiene entre cinco y diez cúbits.

Para crear una red con estos módulos para dar lugar a un ordenador más grande, la compañía usa algo que parece sacado de Star Trek: el teletransporte cuántico. Se trata de un método para enviar datos a través de las redes de telecomunicaciones. La idea consiste en entrelazar un fotón de microondas de un módulo con un fotón de otro y luego usar el enlace entre ellos como puente para transferir datos. (También tenemos una definición del teletransporte cuántico). Quantum Circuits ha utilizado este enfoque para teletransportar una versión cuántica de una puerta lógica entre sus módulos.

Schoelkopf explica que hay varias razones por las que resulta mejor combinar módulos de red juntos que agrupar tantos cúbits como sea posible en un solo chip. La escala más pequeña de cada unidad facilita el control del sistema y la aplicación de técnicas de corrección de errores. Además, si algunos cúbits se vuelven locos en un módulo individual, dicha unidad se puede quitar o aislar sin que afecte a los demás. Pero si todos están en un solo chip, se tendría que desechar todo.

Foto: Una oblea utilizada para crear cúbits en los ordenadores de Quantum Circuits. Créditos: Julie Bidwell

Las máquinas modulares de Quantum Circuits aún necesitan algunos de los mismos equipos que sus rivales, incluidos los refrigeradores para sobreenfriar y los equipos de control. Pero a medida que escalan su enfoque, deberían poder reducir muchísimo su necesidad de cables y otras parafernalias para dominar los cúbits individuales. Por lo tanto, aunque los dispositivos rivales podrían parecerse cada vez más a esos servidores enormes de antaño, las máquinas de esta start-up deberían seguir siendo similares a las que se redujeron y que aparecieron con el avance de la informática convencional a partir de la década de 1970.

Al escuchar a Schoelkopf hablar sobre su tecnología, me vino una imagen a la mente, la de mis hijos jugando con bloques de Lego, juntándolos para construir castillos y fortalezas. Cuando sugerí la comparación, Schoelkopf fue un poco cauteloso al principio, pero luego le gustó bastante. Luego dijo: "En general, todos los dispositivos complejos que conozco se basan en el equivalente de los bloques de Lego, determinando las interfaces y cómo encajan... [Los ladrillos de Lego] son ​​realmente baratos. Pueden ser producidos en grandes cantidades. Y siempre se conectan correctamente".

Los módulos cuánticos de Schoelkopf tienen otra ventaja clave. Cada uno contiene una cavidad tridimensional que atrapa varios fotones de microondas. Estos forman lo que se conoce como "cúdits", que son como cúbits salvo porque almacenan más información. Mientras que un cúbit representa una combinación de cero y uno, un cúdit puede existir en más de dos estados, por ejemplo, cero, uno y dos al mismo tiempo. Los ordenadores cuánticos con cúdits pueden procesar aún más información simultáneamente.

Los científicos llevan tiempo experimentando con cúdits, pero son difíciles de generar y controlar. Schoelkopf asegura que Quantum Circuits ha encontrado formas de crearlos con alta calidad y muy pocos errores. (La compañía afirma que sus cavidades han logrado tiempos de coherencia de 10 a 100 veces mayores que las de los cúbits superconductores, lo que facilita la corrección de errores). Todavía se necesitan algunos cúbits para realizar operaciones en los cúdits y extraer información de ellos, pero su enfoque requiere menos cúbits. Eso, a su vez, significa menos hardware en general.

Un campo abierto a cualquier mejora

Foto: Interior de un refrigerador de dilución de Quantum Circuits. Crédito: Cortesía de Quantum Circuits.

El enfoque de Quantum Circuits suena convincente, pero Schoelkopf no quiere anunciar cuándo presentarán un ordenador que funcione completamente. Tampoco cuenta cuántos cúbits y cúdits trabajando juntos han logrado crear.

Cuanto más se demore, más se arriesga su start-up a verse eclipsada por sus rivales. IBM y Rigetti ya están dando acceso a empresas e investigadores a sus ordenadores cuánticos a través de la nube. Y se rumorea que Google está a punto de lograr la "supremacía cuántica", el punto en el que un ordenador cuántico pueda realizar una tarea más rápido que el superordenador convencional más potente.

Schoelkopf asegura que las organizaciones que quieran probar los algoritmos en el sistema de Quantum Circuits podrán hacerlo "muy pronto", y que en algún momento conectarán sus máquinas a la nube como lo han hecho IBM y Rigetti. La empresa no está solo construyendo ordenadores; también trabaja en un software para que los usuarios puedan aprovechar al máximo el hardware.

Schoelkopf señala que los algoritmos cuánticos que se ejecutan en los servicios de la nube como los de IBM siguen siendo bastante básicos. Así que el campo está abierto para recibir ordenadores cuánticos y software asociado que realmente pueda marcar la diferencia en una amplia gama de áreas, desde la turbocarga de aplicaciones de inteligencia artificial hasta el modelado de moléculas químicas.

Quedan muchas preguntas por resolver. ¿Podrá Quantum Circuits seguir produciendo cúbits y cúdits robustos a medida que aumente el tamaño de sus máquinas? ¿Logrará que su método de teletransporte cuántico funcione de manera fiable a medida que conecta más módulos? Y cuando sus sistemas empiecen a venderse, ¿serán más rentables que los de sus rivales? Aún quedan por delante importantes desafíos de física e ingeniería. Pero si Schoelkopf y sus colegas logran superarlos, podrían demostrar que la clave para hacerse muy grande en la computación cuántica es pensar en pequeño.