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  • 23/03/2017

COMPUTACIÓN CUÁNTICA

Los ordenadores cuánticos están listos para salir del laboratorio en 2017

Google, Microsoft y una gran cantidad de laboratorios y nuevas empresas están compitiendo para convertir una curiosidad científica en máquinas que funcionen.

Nature News

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[iStock/ agsandrew_493888563]

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Durante mucho tiempo, la computación cuántica se ha presentado como una de esas tecnologías que están a 20 años vista y que siempre lo estarán. Sin embargo, puede que 2017 sea el año en el que este campo se desprenda de la imagen de estar eternamente circunscrito al ámbito de la investigación.

Los gigantes informáticos Google y Microsoft han reclutado recientemente a una gran cantidad de expertos y se han fijado varias metas ambiciosas para este año. Ese afán refleja una transición más amplia y que está teniendo lugar tanto en las pequeñas empresas emergentes como en los laboratorios de investigación académica: pasar de la ciencia pura a la ingeniería. «La gente ya está construyendo cosas», asegura Christopher Monroe, físico de la Universidad de Maryland que en 2015 cofundó la compañía IonQ. «Nunca he visto nada similar. Ya no es solo investigación.»

En 2014, Google comenzó a trabajar en una forma de computación cuántica que aprovecha la superconductividad. La empresa espera que, este año o algo más tarde, dicha técnica permita realizar cálculos que superen a los de las supercomputadoras clásicas más potentes: un escurridizo hito conocido como «supremacía cuántica». Su rival, Microsoft, está apostando por un concepto intrigante pero aún por probar, la computación cuántica topológica, y espera realizar pronto una primera demostración de la tecnología.

El panorama en las empresas emergentes que se dedican a la computación cuántica también se está calentando. Monroe tiene la intención de comenzar a contratar personal este año. Robert Schoelkopf, físico de Yale y cofundador de Quantum Circuits, y Chad Rigetti, antiguo trabajador de IBM y creador de la compañía Rigetti, en Berkeley, afirman que esperan alcanzar pronto varios hitos técnicos clave.

Los laboratorios académicos se encuentran en una situación similar. «Hemos probado todos los componentes y todas las funciones que necesitamos», comenta Schoelkopf, quien continúa dirigiendo un grupo de Yale que compite por construir una computadora cuántica. Y aunque aún se necesitan numerosos experimentos en el campo de la física para lograr que los componentes funcionen juntos, los principales retos están ahora en la ingeniería, según él y otros investigadores. El ordenador cuántico con la mayor cantidad de qubits hasta ahora (20) está en fase de pruebas en un laboratorio académico dirigido por Rainer Blatt, de la Universidad de Innsbruck.

Construir qubits robustos

Mientras que los ordenadores clásicos codifican la información en forma de bits que pueden adoptar uno de dos estados posibles, 0 o 1, los qubits de las computadoras cuánticas pueden encontrarse en una superposición de ambos estados a la vez. Eso, sumado a la posibilidad del entrelazamiento, debería permitir a los ordenadores cuánticos efectuar multitud de cálculos de manera simultánea. Además, el número de cálculos debería duplicarse con cada qubit adicional, lo que daría lugar a una aceleración exponencial.

Esa rapidez haría que los ordenadores cuánticos pudiesen ejecutar ciertas tareas impracticables con un ordenador clásico, como buscar en grandes bases de datos o factorizar números enteros de gran tamaño. Dichas máquinas también podrían transformar por completo campos enteros de investigación, ya que podrían realizar simulaciones que permitirían entender las reacciones químicas con un nivel de detalle sin precedentes o ayudar a diseñar materiales superconductores a temperatura ambiente.

Son varias las propuestas que compiten para conseguir construir qubits. Sin embargo, hay dos que se perfilan como favoritas, pues ya se ha confirmado su capacidad para almacenar información durante intervalos de tiempos cada vez más prolongados —a pesar de la vulnerabilidad de los estados cuánticos a perturbaciones externas— así como para ejecutar operaciones de lógica cuántica. Una de ellas, desarrollada por Schoelkopf y adoptada por Google, IBM, Rigetti y Quantum Circuits, implica codificar los estados cuánticos en forma de corrientes oscilantes en circuitos superconductores. La otra, investigada por IonQ y varios grandes laboratorios académicos, consiste en codificar qubits en iones individuales inmersos en campos eléctricos y magnéticos en trampas de vacío.

John Martinis, quien trabajó en la Universidad de California en Santa Bárbara hasta que, en 2014, Google los contrató a él y a su grupo de investigación, sostiene que la madurez que ha alcanzado la técnica basada en superconductores ha llevado a su equipo a establecer el audaz objetivo de la supremacía cuántica. 

Su grupo intenta conseguirlo empleando un algoritmo cuántico «caótico», el cual genera lo que parece ser una salida aleatoria. Si se ejecuta en un ordenador cuántico de relativamente pocos qubits, una máquina clásica puede predecir la salida. Sin embargo, al acercarse a los 50 qubits, ni siquiera los mayores superordenadores clásicos lograrían mantener el ritmo, aseguran los investigadores. Los resultados del cálculo no tendrán ningún uso, pero demostrarían que hay tareas en las que las computadoras cuánticas son insuperables: un umbral psicológico importante que sin duda llamará la atención de potenciales clientes, señala Martinis. «Creemos que será un experimento fundacional.»

Con todo, Schoelkopf no ve la supremacía cuántica como «un objetivo especialmente interesante o útil», en parte porque elude el reto de la corrección de errores; es decir, la capacidad del sistema para recuperar la información una vez que los qubits sufren pequeñas perturbaciones, algo que se torna más y más difícil a medida que el número de qubits aumenta. Por ello, Quantum Circuits se ha centrado en fabricar desde el principio máquinas que corrijan por completo los errores. Ello requiere incorporar más qubits, pero también permitiría al ordenador ejecutar algoritmos más complejos.

Monroe espera poder alcanzar pronto la supremacía cuántica, si bien ese no es el objetivo principal de IonQ. La compañía pretende construir máquinas que tengan 32 o incluso 64 qubits. Según el investigador, la técnica de trampas de iones hara que sus diseños sean más flexibles y fáciles de ampliar que los basados en circuitos superconductores.

Mientras tanto, Microsoft está apostando por la tecnología que aún tiene más camino por delante. La computación cuántica topológica se basa en ciertas excitaciones de la materia que codifican la información «enredándose» unas en otras, como en una trenza. Eso hace que la información sea mucho más resistente a perturbaciones externas y, en particular, facilitaría la corrección de errores.

Por el momento nadie ha logrado crear el estado de materia necesario para tales excitaciones, y mucho menos un qubit topológico. Pero Microsoft ya ha contratado a cuatro líderes en el campo, entre quienes se encuentra Leo Kouwenhoven, de la Universidad de Delft, creador de lo que parece ser el tipo correcto de excitaciones. «Les digo a mis estudiantes que 2017 será el año del "trenzado"», señala Kouwenhoven, que ahora construirá un laboratorio de Microsoft en el campus de Delft.

Otros investigadores son más cautelosos. «No voy a hacer ningún comunicado de prensa sobre el futuro», dice Blatt. David Wineland, físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Boulder, Colorado y director de un laboratorio que tarbaja con trampas de iones, tampoco está dispuesto a hacer predicciones específicas. «Soy optimista a largo plazo», asegura, «pero qué significa "largo plazo" no lo sé.»

—Davide Castelvecchi/Nature News 

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