Intel, IBM, Google y Honeywell son algunas de las empresas que están apostando con más contundencia por la computación cuántica. Los avances que esta disciplina ha experimentado durante los últimos cinco años son muy notables, pero aún es imprescindible resolver varios desafíos casi titánicos para poner a punto un ordenador cuántico con millones de cúbits que nos ayude a resolver problemas con los que actualmente solo nos permitimos el lujo de soñar.
Uno de los mayores retos en los que están trabajando los investigadores en computación cuántica consiste en desarrollar cúbits de calidad que sean lo más estables posible y sobre los que podamos ejercer un control coherente. Si no se dan estas condiciones los resultados que nos ofrecerá el sistema cuántico no serán fiables. Lo más sorprendente en este ámbito es que los cúbits en los que están trabajando las empresas que he mencionado en el párrafo anterior son muy diferentes.
Los cúbits de Intel utilizan la misma tecnología aplicada por esta compañía a la producción de semiconductores basados en transistores
A muy grandes rasgos, los cúbits que han puesto a punto IBM y Google recurren a un circuito que incorpora elementos que a muchos de nosotros nos resultarán familiares, como bobinas o condensadores, y sobre los que actúan microondas. Los cúbits de Honeywell implementan una estrategia diferente en la que un láser actúa individualmente sobre un conjunto de átomos suspendidos en un campo eléctrico con el propósito de llevar a cabo operaciones cuánticas.
Intel, sin embargo, ha decidido seguir un camino distinto. Uno que le resulta mucho más familiar. Y es que sus cúbits utilizan la misma tecnología aplicada por esta compañía a la producción de semiconductores basados en transistores. De hecho, Intel ya ha puesto en marcha en su fábrica de Oregón (Estados Unidos) una línea piloto de fabricación de cúbits en la que los está produciendo en obleas de 300 mm no muy diferentes a sus obleas de semiconductores.
Cada uno de los cúbits fabricados por Intel se codifica sobre el espín de un electrón alojado sobre un sustrato de silicio. El espín es una magnitud cuántica, y podemos imaginarlo como un giro característico de las partículas elementales sobre sí mismas que tiene un valor fijo y que, junto a la carga eléctrica, es una de las propiedades intrínsecas de estas partículas. Intel manipula el espín de los electrones de sus cúbits utilizando campos magnéticos.
Estos son los retos que aún tiene por delante la computación cuántica
Los logros que han alcanzado las compañías que están trabajando en esta área durante los últimos años son muy notables. IBM presentó a principios de 2019 el primer ordenador cuántico para uso comercial, su Q System One. Unos meses después Google anunció que su equipo de investigación dirigido por John Martinis había alcanzado la supremacía cuántica. Y a finales del mes de agosto de este mismo año Google se apuntó otro tanto al anunciar que había alcanzado un nuevo hito: sus investigadores habían realizado la primera simulación cuántica de una reacción química.
Sin embargo, en computación cuántica aún queda mucho por hacer. Muchísimo, en realidad. Y es que los investigadores que están trabajando en esta área todavía tienen que resolver retos muy complejos que actualmente nos impiden utilizar los ordenadores cuánticos para llevar a cabo tareas de gran envergadura, como pueden ser, entre otras opciones, desarrollar nuevos materiales, diseñar nuevos fármacos o simular procesos que tendrán aplicaciones en ecuaciones de fluidos y que podrían tener un gran impacto en ingeniería aeroespacial, entre otras áreas. Estos son los grandes retos que tiene por delante la computación cuántica:
Fabricar cúbits de más calidad. La información cuántica se destruye en un periodo de tiempo dado, por lo que necesitamos hacer en ese tiempo la máxima cantidad posible de operaciones. Disponer de cúbits de más calidad nos permitirá dilatar la vida útil de la información cuántica y llevar a cabo con ella operaciones más complejas.
Controlarlos con precisión. Además de tener cúbits de más calidad es esencial disponer de las herramientas necesarias para controlar con precisión las operaciones que llevamos a cabo con ellos. A medida que se incrementa el número de cúbits de un ordenador cuántico esta operación se vuelve más compleja.
Desarrollar sistemas de corrección de errores. Los estados cuánticos se mantienen durante un periodo de tiempo limitado, y este tiempo es, precisamente, el que tenemos para llevar a cabo operaciones lógicas cuánticas con los cúbits de nuestro ordenador. Además, a medida que añadimos cúbits más difícil es mantener bajo control los errores preservando el estado cuántico del sistema.
Desarrollar todos los pilares de la arquitectura. El procesador cuántico que contiene los cúbits es solo uno de los componentes de un ordenador cuántico. Sobre él residen la electrónica de control, el procesador de control cuántico, las rutinas cuánticas de tiempo de ejecución, los compiladores cuánticos, y, en la punta de la pirámide, los algoritmos cuánticos. Aún queda mucho trabajo por hacer en todos los estratos de esta arquitectura.
El chip criogénico de Intel es un paso hacia delante importante en escalabilidad
Para evitar que los cúbits cambien de estado cuántico de forma espontánea como consecuencia de las perturbaciones introducidas por la energía térmica los ordenadores cuánticos actuales trabajan a una temperatura extremadamente baja. De hecho, está muy cerca del cero absoluto, que es -273,15 grados centígrados.
La temperatura de trabajo de los equipos cuánticos que tienen compañías como Intel o IBM es de unos 20 milikelvin, que son aproximadamente -273 grados centígrados, lo que nos permite intuir que el sistema de refrigeración que es necesario poner a punto para alcanzar y mantener una temperatura tan extremadamente baja es complejo.
La importancia de trabajar a una temperatura lo más cercana posible al cero absoluto reside en que en este estado la energía interna del sistema es la más baja posible, lo que provoca que las partículas fundamentales carezcan de movimiento según los principios de la mecánica clásica.
No obstante, aunque seamos capaces de alcanzar el cero absoluto seguirá existiendo una energía residual, conocida en mecánica cuántica como energía del punto cero, que es el nivel de energía más bajo que puede tener un sistema físico.
En sus ordenadores cuánticos Intel utiliza un chip criogénico de control cuántico que permite a sus ingenieros reducir el tiempo de configuración de los cúbits, mejorar su rendimiento y manipular y leer su estado. No obstante, según Intel una de las principales cualidades del chip Horse Ridge 2, que es como se llama la nueva versión de su chip de control, es que ha sido diseñado para ser instalado muy cerca de los propios cúbits.
Que este procesador resida cerca de los bits cuánticos es importante porque permite simplificar sensiblemente el cableado que necesitamos para controlarlos, por lo que puede jugar un rol esencial en la puesta a punto de ordenadores cuánticos que integran una cantidad de cúbits muy superior a la de los actuales.
Según Intel su chip criogénico Horse Ridge 2 funciona correctamente a una temperatura de solo 4 kelvin (-269,15 ºC) y persigue, precisamente, contribuir a la solución de los problemas de escalabilidad que debemos franquear si queremos disponer de ordenadores cuánticos con millones de cúbits que marquen la diferencia y nos ayuden a resolver algunos de los problemas a los que nos enfrentamos actualmente. Crucemos los dedos para que este vaticinio no tarde mucho en hacerse realidad.
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