Francisco Javier Valdés Sánchez, Joan Bausells Roigé y Francesc Pérez Murano.
Ingeniero de Telecomunicación y miembro del Grupo de Trabajo de Microelectrónica y Semiconductores del COIT / Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC) / Profesor de Investigación del CSIC. Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC).
Computación cuántica, fundamentos, avances y expectativas
Estamos inmersos en lo que se denomina la segunda revolución cuántica, que se caracteriza por la capacidad de manipular objetos cuánticos individuales, como electrones o fotones. Su aparición ha estado propiciada por la posibilidad de fabricar sistemas capaces de generar, controlar y medir estos objetos. El conjunto de técnicas que permiten la manipulación de objetos cuánticos individuales se conoce como tecnologías cuánticas.
Dado que los fenómenos cuánticos se manifiestan cuando las dimensiones de los objetos se acercan a la escala atómica, las tecnologías cuánticas han emergido gracias a una mejora sustancial en el control de los procesos de fabricación a escala nanométrica. Las principales aplicaciones de esta tecnología están en las áreas de la computación, la simulación, la metrología y las comunicaciones cuánticas.
En particular, en este artículo nos centraremos en la computación cuántica, repasando sus fundamentos, cómo puede implementarse un ordenador cuántico y la sinergia entre ordenadores cuánticos y supercomputadores.
Fundamentos de la computación cuántica
Para entender el principio de los ordenadores cuánticos, debemos hacer una breve incursión en la mecánica cuántica. Al acercarse a las dimensiones atómicas, los valores de las magnitudes observables en un sistema físico, como la energía, son discretos. Cada uno de estos valores propios corresponde a un estado específico del sistema, denominado estado propio.
Cuando se mide el sistema en un estado propio, siempre se obtiene como resultado el valor propio correspondiente. Pero es una característica fundamental de la mecánica cuántica que el estado del sistema puede ser una superposición de todos los estados propios. Si se realiza una medida, el resultado será uno de los valores propios, con una probabilidad que está relacionada con el ‘peso’ del correspondiente estado propio en la superposición de los estados.
Los algoritmos utilizados en los ordenadores cuánticos se basan en explotar patrones en el espacio de posibles soluciones
Esta es la base para la realización de los bits cuánticos o cúbits. Un cúbit se asocia físicamente a un sistema cuántico de dos niveles, como el spin de un electrón o las dos polarizaciones de un fotón. Los dos niveles son los estados propios del cúbit, que denominamos |0> y |1> y corresponderían a los valores 0 y 1 de un bit clásico. Pero como el cúbit puede estar en una superposición de los dos estados, puede ser 0 y 1 al mismo tiempo.
Los cúbits se pueden manipular mediante puertas lógicas cuánticas, que a su vez forman circuitos lógicos cuánticos. Utilizan entradas binarias, al igual que sus equivalentes clásicos, pero con una complejidad adicional debido a la superposición de los estados.
Las puertas cuánticas operan en registros cuánticos de muchos cúbits. Si un cúbit puede estar simultáneamente en dos estados, un sistema de N cúbits puede estar simultáneamente en 2N estados. Por tanto, una puerta lógica de N cúbits está operando simultáneamente con 2N estados, de modo que la potencia de cálculo crece exponencialmente con el número de cúbits. Esto permite a los ordenadores cuánticos resolver problemas exponencialmente complejos, que resultan inaccesibles a los ordenadores clásicos.
Al observar directamente el estado del ordenador cuántico, la superposición colapsa y se mide únicamente uno de los estados propios del sistema. Los algoritmos utilizados en los ordenadores cuánticos se basan en explotar patrones en el espacio de posibles soluciones, de modo que se amplifiquen las respuestas correctas y se cancelen las incorrectas.
De momento, no existen cúbits físicos lo suficientemente duraderos para realizar cálculos generales
Por ello, los algoritmos cuánticos son complejos y específicos para cada tipo de problema. Peter Shor definió en 1994 un algoritmo cuántico, de interés en criptografía, para factorizar números enteros grandes en un tiempo que crece de forma polinómica y no exponencial. Este es el primer problema significativo para el que se ha mostrado que un ordenador cuántico supera cualquier tipo de ordenador clásico.
El tiempo que un cúbit mantiene su estado es una medida de su calidad (coherencia cuántica). De momento, no existen cúbits físicos lo suficientemente duraderos para realizar cálculos generales. Mientras no se mejoren las prestaciones de los cúbits actuales, una opción viable es utilizar algoritmos de corrección de errores basados en la redundancia; es decir, aumentar el número de cúbits. Sin embargo, con la tecnología actual, haría falta llegar al millón de cúbits para poder aplicar esta estrategia plenamente.
Implementaciones físicas de los ordenadores cuánticos
Se están desarrollando distintas plataformas para implementar procesadores cuánticos, según se basen en manipular fotones, átomos neutros, iones o el espín del electrón, por ejemplo. Una de las más evolucionadas es la que utiliza materiales superconductores, basados en los estados cuantizados de un circuito oscilador LC superconductor. Si bien esta implementación utiliza tecnologías estándar y no necesita operar a escala atómica, requiere mantener el procesador a temperaturas cercanas al cero absoluto y es difícilmente escalable.
Por otro lado, las plataformas basadas en cúbits semiconductores aprovechan la tecnología de los circuitos integrados, lo que permite integrar millones de transistores nanométricos en un chip.
En este caso, los cúbits se basan en el control de los espines de los electrones en puntos cuánticos semiconductores, dispositivos que se asemejan a los transistores de efecto campo clásicos. Por ello, es viable su operación a temperaturas mayores que 4K. Este mismo año, Intel ha demostrado la fabricación de dispositivos cúbits de spin en obleas de silicio de 300 mm de diámetro y ha puesto a disposición de la comunidad investigadora un chip de silicio de 12 cúbits, denominado Tunnel Falls.
Acceso a los computadores cuánticos y sinergias con supercomputadores cásicos
Por sus características, no se espera que la computación cuántica reemplace a la clásica, sino que se exploten sinergias entre ambos paradigmas. En un modelo híbrido, un sistema clásico podría gestionar la organización de datos, almacenamiento y operaciones de rutina, delegando a un sistema cuántico problemas que requieren una capacidad de cálculo exponencial, como la simulación molecular y la optimización avanzada.
Se puede acceder a los ordenadores cuánticos a través de plataformas en la nube o mediante modelos open hardware. IBM, Google o Amazon ofrecen un modelo SaaS (Software as a Service) en la nube, facilitando el acceso global a las computadoras cuánticas a las empresas, universidades y startups, o incluso a usuarios particulares interesados en experimentar con esta tecnología, mediante APIs o servicios web.
Este enfoque permite a los investigadores, empresas y desarrolladores acceder a poderosos recursos cuánticos sin la necesidad de poseer o mantener este hardware tan especializado. Este es el caso de la plataforma IBM Quantum, que está en constante evolución.
IBM anunció en 2023 el procesador Condor, el primero en superar la barrera de los 1.000 cúbits (1.121 cúbits superconductores), con el objetivo de aumentar drásticamente en los próximos años el número de cúbits disponibles para poder implementar algoritmos de corrección de errores. En España, IBM ha llegado a un acuerdo con la Fundación Vasca para la Ciencia para instalar en San Sebastián un ordenador cuántico.
Las plataformas basadas en cúbits semiconductores aprovechan la tecnología de los circuitos integrados, lo que permite integrar millones de transistores nanométricos en un chip
Por otro lado, el enfoque open hardware promueve el desarrollo colaborativo de tecnologías cuánticas que pueden ser utilizadas y mejoradas por la comunidad científica global. Bajo este modelo, universidades y empresas trabajan conjuntamente en diseños abiertos de hardware cuántico, fomentando la innovación y la personalización del hardware.
El ecosistema de tecnologías cuánticas que ha surgido en torno a la Universidad Técnica de Delft es un buen ejemplo de este modelo. A través de una estrecha colaboración entre investigadores de la universidad con fondos de capital riesgo y el apoyo del gobierno, han surgido compañías muy especializadas que colaboran entre sí para ofrecer soluciones completas de computación cuántica. Es el caso de las compañías Quantware (diseña y fabrica procesadores cuánticos) o Qblox (comercializa sistemas de control de los cúbits).
A este respecto, la startup española Qilimanjaro especializada en soluciones de computación cuántica, se apoyó en algunas de estas compañías para desarrollar e instalar el primer computador cuántico de España, ubicado en el Centro de Supercomputación de Barcelona.
Recientemente, el Centro de Supercomputación de Galicia seleccionó a la compañía japonesa Fujitsu para dotarse de una infraestructura cuántica, la de mayor potencia de una institución pública del sur de Europa hasta la fecha, cuyo núcleo es un procesador de 32 cúbits diseñado por la compañía inglesa Oxford Quantum Circuits.
Dado el elevado coste y la complejidad de esta tecnología, la colaboración público-privada es esencial para el fomento de la investigación y la creación de una industria que tiene una enorme capacidad para transformar sectores clave como la energía, las finanzas, la defensa o la medicina.
En este sentido, se están iniciando múltiples acciones en el ámbito internacional para alimentar este campo y proporcionar las condiciones necesarias para un progreso rápido y sostenido. A través de proyectos conjuntos, se espera que las entidades públicas y privadas compartan recursos y conocimientos para impulsar el desarrollo de aplicaciones prácticas que requieren una inversión significativa y un apoyo a largo plazo.
