Microsoft ha anunciado grandes avances tras investigar, durante 20 años, la fabricación de cúbits topológicos. Gracias a esto, a computación cuántica podría ser más estable y fácil de ampliar.

Los investigadores y empresas llevan años trabajando en el desarrollo de ordenadores cuánticos, una tecnología que podría revolucionar la simulación de materiales complejos, el descubrimiento de nuevos compuestos y muchas otras aplicaciones.

Para aprovechar ese potencial, es necesario construir sistemas lo bastante grandes y estables para realizar cálculos. Sin embargo, muchas de las tecnologías actuales, como los cúbits superconductores en los que trabajan Google e IBM, son extremadamente frágiles. Esto obliga a añadir un gran número de cúbits extra para corregir errores.

Microsoft lleva tiempo investigando una alternativa que podría reducir la sobrecarga mediante el uso de componentes mucho más estables. Estos, conocidos como cuasipartículas de Majorana, no son partículas reales, sino patrones especiales de comportamiento que pueden aparecer en ciertos sistemas físicos bajo condiciones específicas.

La búsqueda no ha estado exenta de contratiempos, como la retirada en 2018 de un artículo clave por parte de investigadores vinculados a la empresa. Microsoft, que desde entonces ha llevado a cabo esta investigación, asegura que está en camino de construir un ordenador cuántico con capacidad para corregir fallos con unos pocos miles de cúbits en los próximos años. Además, tiene un plan para desarrollar chips que contengan alrededor de un millón de cúbits, un objetivo que podría marcar el momento en que estos ordenadores comiencen a demostrar todo su potencial.

La compañía también ha anunciado algunos de sus primeros éxitos en este ámbito. Según un artículo publicado en la revista Nature, que describe una validación clave del sistema, Microsoft asegura haber probado un cúbit topológico y haber conectado un chip que contiene ocho de estos cúbits.

“No se llega a un millón de cúbits sin mucha dedicación, esfuerzo y sin resolver una gran cantidad de desafíos técnicos realmente complicados. No quiero restar importancia a nada de eso”, afirma Chetan Nayak, miembro técnico de Microsoft y líder del equipo pionero en este enfoque. “Creo que tenemos un camino claro en el que creemos plenamente, y el futuro es prometedor”, añade el experto.

Los investigadores externos se muestran cautelosos, pero optimistas. “Me alegra mucho que [esta investigación] haya alcanzado un hito tan importante. Espero que se mantenga y se consolide”, señala Scott Aaronson, informático y director del Centro de Información Cuántica de la Universidad de Texas en Austin (EE UU).

Pares e impares

El primer paso para construir un ordenador cuántico es crear cúbits que puedan existir en estados cuánticos frágiles, no en 0 o 1 como los bits de los ordenadores clásicos, sino en una mezcla de ambos. Mantener los cúbits en estos estados y enlazarlos entre sí es un trabajo complejo y delicado. A lo largo de los años, se ha avanzado considerablemente en el perfeccionamiento de esquemas de corrección de errores para contrarrestar los fallos del hardware.

Durante años, tanto teóricos como investigadores se han sentido atraídos por la idea de crear cúbits topológicos, que se construyen mediante giros matemáticos y tienen una protección contra errores incorporada en su física. “Ha sido una idea muy atractiva desde principios de la década de 2000. El único problema es que, en cierto modo, requiere crear un nuevo estado de la materia que nunca se ha observado en la naturaleza”, comenta Aaronson.

Microsoft busca crear un estado conocido como fermión de Majorana, pero en forma de cuasipartículas. Esto fue propuesto hace casi 90 años y tiene una propiedad peculiar: es su propia antipartícula. Así, cuando dos fermiones de Majorana se encuentran, se aniquilan entre sí. La empresa espera replicar este comportamiento dentro de ciertos materiales, utilizando las condiciones y la configuración física adecuadas.

En los últimos años, Microsoft ha centrado su esfuerzo en crear un alambre extremadamente fino, o “nanocable”, de arseniuro de indio. Este material se coloca junto al aluminio, que se vuelve superconductor a temperaturas cercanas al cero absoluto, y permite inducir superconductividad en el nanocable.

En un superconductor, por lo general, los electrones tienden a emparejarse y no es común encontrarlos separados. Sin embargo, si se dan las condiciones adecuadas en el nanocable, es posible que un electrón se “divida” con cada mitad ubicada en un extremo del cable. Si estas entidades complejas, conocidas como modos cero de Majorana, logran existir, serán difíciles de destruir y esto les otorga una estabilidad intrínseca.

“Ahora se entiende la ventaja. No se puede destruir medio electrón, ¿verdad? Si intentas eliminarlo, solo quedaría medio electrón, y eso no está permitido”, afirma Sankar Das Sarma, físico teórico de la Universidad de Maryland (EE UU) y pionero en los primeros estudios sobre este concepto.

En 2023, el equipo de Microsoft publicó un artículo en la revista Physical Review B en el que afirmaba que su sistema había superado un protocolo sobre modos cero de Majorana. De manera más reciente, los investigadores han informado en Nature que han logrado “leer” la información de estos nanohilos. Es decir: han logrado identificar si hay modos cero de Majorana ocultos en los extremos de los hilos. Si están presentes, significa que el alambre contiene un electrón extra no apareado.

“Lo que hicimos en el artículo de Nature fue mostrar cómo medir si el número de electrones es par o impar. Poder determinar si hay 10 millones o 10 millones y uno”, explica Nayak. Este es un paso importante. La empresa planea utilizar estos dos estados —un número par o impar de electrones en el nanocable— como los 0 y 1 de sus cúbits.

Si estas cuasipartículas existen, debería ser posible “trenzar” los cuatro modos cero de Majorana de dos nanocables, entrelazándolos uno alrededor del otro, mediante medidas específicas en un orden concreto. El resultado sería un cúbit que combine dos estados: par e impar. Nayak asegura que el equipo ha logrado este avance, creando un sistema cuántico de dos niveles, y que actualmente trabaja en un artículo sobre los resultados.

Los investigadores ajenos a la empresa comentan que no pueden pronunciarse sobre los resultados de los cúbits, ya que el artículo aún no está disponible. Sin embargo, algunos se muestran optimistas con los hallazgos publicados hasta ahora. “Me parece muy prometedor”, afirma Travis Humble, director del Centro de Ciencia Cuántica del Laboratorio Nacional Oak Ridge de Tennessee (EE UU). “Aún no es suficiente para decir que han creado cúbits topológicos. Queda trabajo por hacer. No obstante, es un buen primer paso para validar el tipo de protección que esperan conseguir”, añade el científico.

Otros se muestran más escépticos. El físico Henry Legg, de la Universidad de St Andrews (Escocia), quien ya criticó a Physical Review B por publicar el artículo de 2023 sin datos suficientes para reproducir los resultados de manera independiente, no está convencido de que el equipo esté viendo pruebas de modos cero de Majorana en su artículo de Nature. Afirma que las primeras pruebas de la empresa no la colocan sobre una base sólida para hacer tales afirmaciones. “El optimismo está ahí, pero la ciencia no”,concluye.

Una posible complicación son las impurezas del dispositivo, que podrían generar condiciones similares a las de las partículas de Majorana. Nayak asegura que las pruebas se han ido incrementando conforme avanzaba la investigación: “Esto nos da confianza: estamos manipulando dispositivos sofisticados y obteniendo resultados coherentes con la interpretación de Majorana”.

“Han cumplido muchas de las condiciones necesarias para un cúbit de Majorana, pero aún quedan algunos aspectos por confirmar. Los avances han sido impresionantes y sólidos”, declaró Das Sarma tras revisar los resultados preliminares del cúbit.

Ampliación

A primera vista, los esfuerzos topológicos de Microsoft parecen ir a la zaga en el mundo de la computación cuántica: la empresa está trabajando en la combinación de cúbits de un solo dígito, mientras que otros ya han logrado conectar más de mil. Tanto Nayak como Das Sarma sostienen que otras iniciativas partían con ventaja porque se basaban en sistemas con una sólida base física. En cambio, el trabajo sobre el cúbit topológico ha implicado comenzar desde cero.

“Estábamos reinventando la rueda”, asegura Nayak al comparar los esfuerzos del equipo con los primeros días de los semiconductores, cuando aún quedaba mucho por entender sobre el comportamiento de los electrones y los materiales, y no existían transistores ni circuitos integrados. Por eso, este proceso de investigación ha llevado casi 20 años. “Es el programa de I+D más largo de la historia de Microsoft”,apunta el científico.

El apoyo de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de Estados Unidos podría ayudar a Microsoft a ponerse al día. La compañía fue elegida como una de las dos empresas que seguirán trabajando en el diseño de un sistema a mayor escala, dentro de un programa que podría llevar a los ordenadores cuánticos a una escala comercial. Es decir, a aquellos en los que los beneficios superen los costes. La otra empresa seleccionada es PsiQuantum, una start-up que busca construir un ordenador cuántico de hasta un millón de cúbits utilizando fotones.

Muchos de los investigadores con los que habló MIT Technology Review aún desean ver cómo se traduce este trabajo en publicaciones científicas, pero se mostraron optimistas. “La mayor desventaja del cúbit topológico es que sigue siendo un problema de física. Si todo lo que Microsoft afirma hoy es cierto… entonces tal vez la parte física esté llegando a su fin y ahora comience la ingeniería”, observa Das Sarma.

Este artículo se ha actualizado con la afiliación institucional actual de Henry Legg.