Los ordenadores cuánticos capaces de realizar asombrosos cálculos alucinantes parecen empezar a asomar por el horizonte (ver TR10: Ordenadores cuánticos funcionales). Pero, ¿qué aspecto tendrán los primeros modelos?

Los grandes bateadores de la industria como IBM, Google, Microsoft e Intel, así como algunas start-ups como Rigetti Computing y Quantum Circuits Incorporated, no paran de dar pasos hacia ordenadores cuánticos más útiles mediante circuitos superconductores enfriados a temperaturas extremas (ver Los cúbits superconductores de Google podrían estar a punto de lograr la supremacía cuántica).

Mientras tanto, dos equipos de investigación han demostrado que un enfoque bastante ignorado por la industria puede escalarse hasta un nuevo nivel de complejidad para ejecutar tareas útiles. La propuesta, que utiliza átomos confinados para realizar cálculos, no produce ordenadores cuánticos universales capaces omnipotentes, pero sugiere que el enfoque atómico puede tener más potencial de lo que se creía. El trabajo también sugiere que los átomos podrían ser una estrategia mejor para convertir los sistemas de laboratorio en prácticos ordenadores cuánticos a gran escala.

El enfoque superconductor ha tenido éxito, en parte, porque las técnicas de ingeniería utilizadas para fabricar circuitos de silicio se han afinado durante las últimas décadas. Pero hay una amplia gama de enfoques distintos para diseñar un ordenador cuántico.

En dos artículos publicados el mes pasado en la revista Nature , un equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, EEUU) y la Universidad de Harvard (EEUU), y otro de la Universidad de Maryland y el Instituto Nacional de Estándares en Washington DC (ambos en EEUU), revelan que han diseñado calculadoras cuánticas especializadas, cada una con más de 50 cúbits, mucho más de lo que se había demostrado anteriormente (ver IBM anuncia un ordenador cuántico de 50 cúbits pero no dice cómo funciona). En ambos casos, los investigadores crearon simuladores cuánticos, máquinas capaces de usar cálculos análogos para modelar cómo interactúan las partículas cuánticas.

Aunque los dos sistemas usan átomos, su funcionamiento es distinto. El sistema MIT-Harvard maneja 51 cúbits mediante láseres que atrapan átomos neutros en un estado excitado. La máquina Maryland-NIST, que maneja 53 cúbits, atrapa iones de iterbio mediante electrodos recubiertos de oro. Ambos trabajos sugieren que un enfoque alternativo para diseñar máquinas cuánticas podría tener el potencial de desafiar al enfoque de la industria.

El físico de Harvard Mikhail Lukin, que desarrolló uno de los sistemas en colaboración con Vladan Vuletic, del MIT, explica: "Aunque nuestro sistema aún no constituye un ordenador cuántico universal, podemos programarlo eficazmente controlando las interacciones entre los cúbits".

El investigador de Rigetti Computing Will Zeng, cuya empresa ha recibido decenas de millones de euros en fondos de capital riesgo para el desarrollo de la computación cuántica, dice que la simulación cuántica a esta escala es un paso significativo. De hecho, simular los efectos cuánticos fue el propósito original de un ordenador cuántico propuesto por el físico Richard Feynman hace más de 40 años. Ahora los científicos "pueden mostrar algo del potencial inherente de los ordenadores cuánticos, por lo que los resultados son emocionantes", afirma.

Los ordenadores cuánticos funcionan de forma totalmente distinta a los ordenadores convencionales. Mientras que un ordenador normal toma bits binarios de información, codificados como ceros y unos, y realiza cálculos uno tras otro, un ordenador cuántico explota dos propiedades de la mecánica cuántica para hacer cálculos en paralelo: en enlazamiento y la superposición. El resultado que que la máquina es capaz de hacer cálculos con grandes cantidades de información en mucho menos tiempo. Varias docenas de bits cuánticos pueden realizar cálculos con miles de millones de datos en un solo paso.

Durante años, la tecnología parecía un sueño inalcanzable, pero su potencial es innegable. Así que ahora que parece que sí será posible construir una máquina de este tipo, la emoción no para de crecer (ver Los químicos podrían ser los primeros en beneficiarse de los ordenadores cuánticos).

El hito de los 50 cúbits es significativo porque, en ese punto, las máquinas cuánticas deberían ser capaces de realizar cálculos que resultarían difíciles, si no imposibles, de ejecutar incluso con el superordenador más enorme disponible. Algunos científicos se refieren a esto como "supremacía cuántica". Tanto IBM como Google están desarrollando ordenadores cuánticos superconductores de propósito general capaces de utilizar ese número de cúbits.

Pero lo más importante es que los cúbits de los dos nuevos modelos basados en átomos pueden ser más fácilmente escalables, según el profesor de la Universidad de Maryland y líder de uno de los trabajos, Chris Monroe. Los cúbits de los sistemas de estado sólido no son idénticos, lo que significa que un sistema así ha de ser cuidadosamente calibrado, y esto puede resultar complicado a medida que el tamaño de una máquina aumenta. Pero los cúbits atómicos, aunque son más difíciles de controlar, son idénticos y no necesitan calibrado. "Los átomos son, en cierto sentido, el cúbit perfecto", afirma Monroe, y añade que los sistemas atómicos pueden resultar más fáciles de reconfigurar, haciéndolos más adecuados para abordar una gama más amplia de problemas.

Eso no quiere decir que diseñar sistemas cuánticos más grandes y prácticos sea tarea fácil. Vuletic opina: "Creemos que podemos alcanzar alrededor de 1.000 bits cuánticos de manera sencilla, pero a partir de ahí, la situación está menos clara".

Y si hay algo aún más importante es que, de momento, sólo tenemos una ligerísima idea de para qué podrían servir realmente los ordenadores cuánticos. En un estudio histórico publicado en septiembre, un equipo de IBM utilizó un ordenador cuántico, llamado IBM Q, para simular la estructura del hidruro de berilio, la molécula más compleja jamás analizada de esta manera. Probablemente no sepamos de qué serán capaces hasta que llegue a manos de muchos más ingenieros y programadores. Monroe, de la Universidad de Maryland, concluye: "Estamos empezando a ir más allá de la era de la física a la ingeniería cuántica".