Por fin, los físicos de la Universidad de Harvard y del MIT (ambos en EE. UU.) han encontrado la mejor aplicación para la computación cuántica: un GIF de Mario Bros hecho de cúbits. Los cúbits (bits cuánticos) también se pueden organizar en un diseño de Space Invaders, o Tetris, o en cualquier otra forma; sus deseos geométricos son órdenes para los cúbits.

Estos GIF son obra de la start-up de Boston (EE. UU.) QuEra Computing, que emerge del sigilo, para mostrar la capacidad de programación de su simulador cuántico de 256 cúbits, el ordenador cuántico de propósito especial construido para resolver ciertos tipos de problemas.

La máquina de QuEra es el último avance en la ampliación de la computación cuántica para volverla más poderosa y capaz de abordar problemas prácticos. Más cúbits significa que es posible almacenar y procesar más información, y los investigadores que desarrollan esta tecnología continuamente compiten para subir cada vez más el listón.

En 2019, Google anunció que su máquina de 53 cúbits había alcanzado la supremacía cuántica, realizando una tarea que un ordenador convencional no podía manejar, pero IBM desafió esa afirmación. El mismo año, IBM lanzó su ordenador cuántico de 53 cúbits. En 2020, IonQ presentó su sistema de 32 cúbits que, según la empresa, era el "ordenador cuántico más poderoso del mundo". Y esta semana, IBM hizo público su nuevo procesador cuántico de 127 cúbits, que describió como un "pequeño milagro de diseño" en el comunicado de prensa. El vicepresidente de Computación Cuántica de IBM, Jay Gambetta, señaló: "La gran noticia, desde mi punto de vista, es que funciona".

Pero ahora, QuEra afirma haber creado un dispositivo con muchos más cúbits que cualquiera de esos rivales.

Está claro que el principal objetivo de la computación cuántica no es jugar al Tetris, sino superar a los ordenadores convencionales en la resolución de problemas de interés práctico. Sus defensores creen que cuando estos ordenadores se vuelvan suficientemente potentes, tal vez en una década o dos, podrían provocar efectos transformadores en los campos como la medicina y las finanzas, la neurociencia y la inteligencia artificial. Es probable que las máquinas cuánticas necesiten miles de cúbits para gestionar esos problemas tan complejos.

Sin embargo, el número de cúbits no es el único factor que importa.

QuEra también está promocionando la mejorada capacidad de programación de su dispositivo, en el que cada cúbit es un único átomo ultrafrío. Estos átomos están dispuestos con precisión mediante una serie de láseres (los físicos los llaman pinzas ópticas). La colocación de los cúbits permite programar la máquina, ajustarla al problema que se está analizando e incluso reconfigurarla en tiempo real durante el proceso de cálculo.

El CEO de QuEra y coinventor de la tecnología, Alex Keesling, detalla: "Diferentes problemas requerirán que los átomos se coloquen en distintas configuraciones. Una de las cosas únicas de nuestra máquina es que cada vez que la ejecutamos, un par de veces por segundo, podemos redefinir por completo la geometría y la conectividad de los cúbits".

La ventaja del átomo

La máquina de QuEra se construyó a partir de un proyecto y tecnologías refinadas durante varios años, dirigidas por los físicos de la Universidad de Harvard Mikhail Lukin y Markus Greiner y los profesores del MIT Vladan Vuletić y Dirk Englund (los cuatro están en el equipo fundador de QuEra). En 2017, un modelo anterior del dispositivo del grupo de la Universidad de Harvard usó solo 51 cúbits y en 2020, demostraron la máquina de 256 cúbits. El equipo de QuEra espera alcanzar los 1.000 cúbits dentro de dos años y luego, sin cambiar mucho la plataforma, esperan seguir ampliando el sistema más allá de cientos de miles de cúbits.

GIF: Mario hecho a partir de los cúbits de QuEra. Créditos: Ahmed Omran / QuEra

Lo que debería permitir esos saltos de escala es la plataforma tan única de QuEra, la forma física en la que se instala el sistema y el método mediante el cual la información se codifica y procesa.

Mientras que los sistemas de computación cuántica de Google e IBM usan cúbits superconductores, e IonQ usa iones atrapados, la plataforma de QuEra utiliza grupos de átomos neutros que producen cúbits con una coherencia impresionante (es decir, un alto nivel "cuántico"). La máquina utiliza pulsos de láser para provocar que los átomos interactúen, llevándolos a un estado de energía, al "estado de Rydberg", descrito en 1888 por el físico sueco Johannes Rydberg, en el que pueden realizar lógica cuántica de una manera robusta y con alta fidelidad. El enfoque de Rydberg para la computación cuántica se trabajó durante un par de décadas, pero para que funcionara de manera fiable se necesitaban avances tecnológicos, por ejemplo, con los láseres y la fotónica.

"Irracionalmente eufórico"

Cuando el científico informático y director del Centro de Computación Cuántica de Berkeley (EE. UU.), Umesh Vazirani, se enteró por primera vez de que la investigación de Lukin iba en esa línea, se sintió "irracionalmente eufórico". Le parecía un enfoque maravilloso, aunque dudó de que sus intuiciones fueran realistas. El experto señala: "Hemos tenido varias vías bien desarrolladas, como los superconductores y las trampas de iones, en las que se ha trabajado durante mucho tiempo. ¿No deberíamos pensar en sistemas diferentes?". Vazirani se puso en contacto con el físico del Instituto de Tecnología de California (EE. UU.) y director del Instituto de Información Cuántica y Materia Cuántica, John Preskill, quien le aseguró que su euforia estaba justificada.

Preskill considera que las plataformas Rydberg (no solo las de QuEra) resultan interesantes porque producen cúbits con un alto nivel de interacción y muy entrelazados, "y ahí es donde está la magia cuántica", destaca Preskill, y añade: "Estoy muy entusiasmado con el potencial en una escala de tiempo relativamente corta para descubrir cosas inesperadas".

Además de simular y comprender la dinámica y los materiales cuánticos, QuEra está trabajando en algoritmos cuánticos para resolver los problemas de optimización computacional que son NP-completos (es decir, muy difíciles). "Estos son los primeros ejemplos reales de ventajas cuánticas útiles que involucran aplicaciones científicas", resalta Lukin.

Uno de los inversores de QuEra es Rakuten, la empresa japonesa de servicios de internet, comercio electrónico y tecnología financiera, que está interesada en explorar el problema de optimizar la ubicación de las antenas para los servicios móviles 4G y 5G. "Además, esta tecnología promete resolver muchos problemas de optimización, desde las rutas de entrega, la cartera de valores, los motores de búsqueda hasta los sistemas de recomendación. El sueño es grande", detalla el director de datos de Rakuten, Takuya Kitagawa.

Sin embargo, Preskill no es especialmente optimista ante la posibilidad de que la máquina de QuEra supere a los algoritmos clásicos para los problemas de optimización. Él fue quien acuñó el término supremacía cuántica (que describe el punto en el que los ordenadores cuánticos pueden hacer cosas que los convencionales no pueden), y señala: "No tenemos fuertes argumentos teóricos de que pronto vayamos a ver una ventaja cuántica en la optimización. Pero desde luego que vale la pena investigarlo".

Está interesado en el plan de QuEra para que su plataforma se vuelva ampliamente accesible para investigación y desarrollo. Tener una comunidad más grande de personas jugando con las máquinas cuánticas ayudará a descubrir en qué son buenas. Ojalá no dediquen su tiempo únicamente a jugar a Tetris y Space Invaders.