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Así se construye un computador cuántico

Las grandes compañías se lanzan a la carrera por liderar la computación cuántica. Google ha sido la última logrando uno de los mayores avances de la historia en este ámbito, pero no es la única. Construir este tipo de computadores no es tan caro como parece, pero tiene unos requerimientos muy específicos.

Construir el computador cuántico más potente requiere una tecnología específica, pero también un equipo humano súper especializado que haga posible su funcionamiento. Crédito: IBM.

 

ISABEL RUBIO ARROYO | Tungsteno

Google acaba de lograr uno de los mayores avances de la historia en el ámbito de la computación cuántica. La compañía de Mountain View asegura haber conseguido en tres minutos y 20 segundos una operación para calcular números aleatorios que al superordenador más potente del mundo le hubiera llevado unos 10.000 años. La investigación, publicada en la revista científica Nature, sería la primera demostración empírica del concepto de supremacía cuántica, que consiste en la capacidad de un ordenador cuántico de realizar una tarea imposible de llevar a cabo por todos los ordenadores clásicos juntos.

Pero al igual que Google, otras compañías participan en una carrera constante para construir el computador cuántico más potente. IBM, que ha puesto en duda que se haya conseguido la supremacía cuántica, tiene casi una decena de dispositivos de diferentes tamaños abiertos al público a través de contratos o de su programa abierto de computación cuántica. Rigetti e IonQ también ofrecen computadores bajo acuerdos de colaboración puntuales. Pero Juan José García Ripoll, investigador del Instituto de Física Fundamental del Consejo Superior de Investigaciones Científicas, explica que es difícil saber el número concreto de computadores cuánticos que existen en el mundo: “Hay laboratorios de investigación a los que no tenemos acceso, bien en empresas de defensa o bien vinculados al gobierno de Estados Unidos”.

Para el funcionamiento de los computadores cuánticos son necesarias, además de la tecnología, una serie de condiciones especiales de temperatura o aislamiento. Crédito: IBM.

Más allá de la velocidad de operación

Hoy en día estos dispositivos solo sirven para probar algoritmos en problemas pequeños. Pero se espera que en el futuro se puedan aplicar a cuestiones cada vez más grandes. Podrían resultar útiles desde para el diseño de moléculas o estudiar reacciones químicas hasta para resolver problemas específicos y complejos en sectores como la medicina, los riesgos financieros o la ciencia de los materiales.

Pese a que se tiende a pensar en el ordenador cuántico como una evolución del tradicional, Ripoll subraya que ni siquiera tienen la misma arquitectura: “Un ordenador cuántico no tiene una memoria RAM, un disco duro y un procesador”. En su lugar, consta de elementos microscópicos y macroscópicos. El elemento más grande, según explica el investigador, es el refrigerador de dilución, un enorme frigorífico que emplea helio-3  y helio-4 para alcanzar las temperaturas extremadamente bajas —decenas de milikelvin— a las que se manifiestan efectos cuánticos.

Este frigorífico está conectado a un rack  o armario, donde se guardan generadores y detectores de microondas: “Estos dispositivos electrónicos no son muy diferentes de los que se emplean para diseñar y calibrar móviles y son responsables de decir al ordenador cuántico las operaciones que tiene que hacer y medir en qué estado se encuentra”.

Por último, dentro del refrigerador y conectado con el mundo exterior a través de cables coaxiales y filtros, está el chip superconductor, “que es el ordenador cuántico propiamente dicho”. “Este chip también tiene muchos elementos. Están esos pequeños osciladores de microondas o qubits que, con una respuesta no lineal, pueden almacenar 0 o 1 fotón, o una superposición cuántica de ambos estados”, explica.

Mientras que los ordenadores tradicionales usan bits, los cuánticos utilizan qubits. Los bits tradicionales guardan la información como 0 y 1. Los qubits, pueden ser 0 y 1 a la vez por un fenómeno conocido como superposición. De esta forma, la cantidad de información que se puede acumular crece de forma exponencial. Ripoll añade que los qubits se conectan entre sí a través de capacitores o condensadores y se conectan con el mundo exterior a través de unas antenas —resonadores— que pueden alterar su estado o medirlo.

Estos computadores requieren de elementos de la tecnología más estándar a la más innovadora, como los chips superconductores compuestos de qubits. Crédito: Google.

Tecnologías y coste de fabricación

Para fabricar cada parte mencionada y el ordenador cuántico en su conjunto, no existe una única tecnología. Por ejemplo, la tecnología que usa Google “es bastante estándar y se parece mucho a otros tipos de chips que empleamos en nuestra vida cotidiana”. Mientras que hay computadores cuánticos que atrapan átomos en una cámara de vacío y hacen operaciones con ellos, otros emplean defectos en semiconductores.

Los computadores cuánticos superconductores emplean circuitos eléctricos construidos a partir de aluminio: “Si trabajamos a temperatura ambiente, estos circuitos son procesadores eléctricos, capaces de generar, transmitir y filtrar energía en forma de microondas, típicamente a frecuencias de gigahercios. Sin embargo, cuando enfriamos todo el sistema, el circuito se convierte en superconductor y demuestra efectos cuánticos. En particular, el circuito absorbe y emite energía en forma de fotones de microondas, las partículas que forman esta radiación. Con estos fotones son con los que hacemos computación cuántica”.

Al contrario de lo que puede parecer, Ripoll afirma que construir un ordenador cuántico no es “demasiado costoso”.  Un refrigerador y la electrónica para controlar unos cinco qubits puede rondar los dos millones de euros —el importe de una starting grant del Consejo Europeo de Investigación (ERC)—. “Si se quieren hacer dispositivos más grandes, con más qubits, el coste puede subir, por la necesidad de emplear más generadores de microondas y un refrigerador mayor, pero no tanto”, explica. Para él, el principal coste es la mano de obra especializada y el know-how. Es decir, los códigos y rutinas que hay que desarrollar para que un experimento tan complejo funcione.

Bajas temperaturas y un equipo súper especializado

Estos ordenadores necesitan unas condiciones muy especiales para funcionar. Aparte de las extremadamente bajas temperaturas —inferiores a – 273 ºC — que ya facilita el frigorífico, es importante tener un entorno aislado de perturbaciones electromagnéticas intensas. El investigador explica que los chips superconductores fluctúan y los qubits pueden cambiar su energía a lo largo del tiempo por fluctuaciones en la temperatura, tensiones en el material, efectos ambientales o simplemente envejecimiento del material. Todo ello hace que sea necesario hacer una calibración periódica cada pocos minutos u horas para cerciorarse de que los parámetros son los correctos.

Para asegurarse de que las condiciones en las que opera un ordenador cuántico son las idóneas y encontrar posibles aplicaciones, hay todo un equipo de profesionales detrás. Físicos cuánticos, ingenieros de materiales, ingenieros de microondas, ingenieros electrónicos y programadores se encargan del desarrollo del hardware. Mientras tanto, físicos teóricos, expertos en ciencias de la computación y matemáticos se ocupan del desarrollo de las aplicaciones. Todos trabajan en laboratorios que persiguen un objetivo común: alcanzar una nueva era de la computación.

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Tungsteno es un laboratorio periodístico que explora la esencia de la innovación. Ideado por Materia Publicaciones Científicas para el blog de Sacyr.

 

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