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Tercer Milenio

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¿En puertas del ordenador cuántico? También desde Aragón

Investigadores aragoneses están en la carrera por fabricar un procesador cuántico. El Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón lidera el proyecto internacional Sumo.

Los estados puros cuánticos de un cúbit cubren toda la superficie de una esfera, mientras que los bits de un ordenador clásico, solo dos estados asociados a los dígitos 0 y 1

Un ordenador es una máquina que procesa información escrita sobre una serie de unidades básicas llamadas bits. A diferencia del bit clásico, que solo posee dos estados 0 y 1, el sistema cuántico más elemental formado por dos estados, el cúbit, contiene un número infinito de estados cuánticos obtenidos mediante superposición de dos estados básicos. Esa riqueza permite a los algoritmos cuánticos convertir algunos problemas extremadamente complejos, relacionados con la búsqueda en grandes bases de datos, la seguridad informática y la simulación de moléculas, materiales etc., en otros mucho más sencillos.

¿En puertas del ordenador cuántico? También desde Aragón

Se estima que crear uno de estos ‘espías’ cuánticos requerirá manejar al menos 300 millones de cúbits. Construirlo supone uno de los mayores retos científicos y tecnológicos de nuestro siglo. La mayor dificultad estriba en que fenómenos como la superposición y el entrelazamiento, que son clave para los algoritmos cuánticos, son también extremadamente frágiles frente al ruido. Las primeras propuestas y experimentos usaron cúbits microscópicos, como iones atrapados y enfriados por láser o espines nucleares, que de forma natural obedecen las leyes de la física cuántica. Sin embargo, estos cúbits son también difíciles de comunicar entre sí y, por ese motivo, los experimentos de este tipo raramente trabajan con más de 10 cúbits.

En el extremo opuesto en cuanto a dimensiones se encuentran los cúbits superconductores: la utilización de estos conductores perfectos ha logrado construir circuitos, como los trasmones o los squids, en los que la carga o la corriente eléctricas obedecen leyes cuánticas y que pueden más fácilmente intercomunicarse. Dispositivos con más de 50 cúbits basados en esta tecnología podrían estar operativos este mismo año y superar a los mejores superordenadores en algunos cálculos o simulaciones específicas. Dentro de este ámbito, ha surgido recientemente una alternativa muy interesante para reducir los errores asociados al ruido, basada en los denominados cúbits topológicos. La topología es una rama de las matemáticas que clasifica aquellas propiedades de los cuerpos que no varían con deformaciones suaves. Por ejemplo, un melón y un pepino tienen la misma topología, pero un balón y una rosquilla, no. Recientemente se han descubierto estados topológicos colectivos en la interfaz de un material superconductor con otro semiconductor en presencia de fuertes campos magnéticos. Su robustez frente a deformaciones e impurezas los convierte en potenciales cúbits insensibles al ruido. Además, presentan otras propiedades divertidas como, por ejemplo, que su carga es una fracción de la carga de los electrones que los generan.

Comunicados con circuitos

Alcanzar el siguiente nivel, entre 100 y 1.000 cúbits, se enfrenta sin embargo a dificultades técnicas considerables cuya solución dista de estar clara, incluida la fabricación de suficientes cúbits con propiedades idénticas y la integración de la electrónica de control necesaria para hacerlos funcionar a temperaturas cercanas al cero absoluto. Recientemente ha emergido una aproximación híbrida entre ambos extremos que consiste en intercomunicar cúbits microscópicos mediante circuitos. El Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA, CSIC-Universidad de Zaragoza) lidera el proyecto internacional Sumo, orientado a crear un procesador cuántico en el que moléculas magnéticas, idénticas y perfectamente reproducibles por naturaleza, se controlan y conectan entre sí mediante nanocircuitos superconductores. Al integrar hasta 100 de estos cúbits en un solo chip, esta tecnología podría implementar diversos algoritmos e incluso corregir errores, contribuyendo por tanto a dar el paso desde los simuladores cuánticos a pequeña escala hacia ordenadores cuánticos programables.

Simular con átomos nos promete nuevas tecnologías cuánticas
La capacidad de controlar la materia a nivel cuántico promete también otras soluciones tecnológicas que, además, pueden ponerse en práctica usando dispositivos con pocos cúbits que se encuentran casi al alcance de la mano. A Richard Feynman, premio Nobel de Física en 1965, se le atribuye la idea de la simulación cuántica. Describir sistemas cuánticos es muy difícil, imposible a veces. ¿Por qué no usar para esta descripción otros sistemas que también sean cuánticos? Esta idea, de 1982, es ya una realidad. Hace unas semanas, investigadores del Instituto Federal Suizo de Tecnología ETH (Zúrich) han demostrado que controlando átomos simulan el movimiento de fermiones mejor que cualquier cálculo hecho en un ordenador clásico. Entender la dinámica de fermiones, entre los que se encuentran los electrones y los protones, por ejemplo, es vital, ya que son los ladrillos de la materia. La simulación cuántica es nuestra esperanza para hacer cálculos con muchos electrones y poder diseñar nuevas moléculas, materiales y medicamentos.

La computación cuántica amenaza nuestra privacidad porque superará a la criptografía actual. Sin embargo, la misma física cuántica proporciona una solución: gracias a una propiedad única del mundo cuántico llamada entrelazamiento es posible enviar mensajes secretos inviolables. Este tipo de criptografía cuántica ya es una realidad: en 2017, científicos chinos enviaron un mensaje cuántico vía satélite, lo que permite hacerlo a cualquier punto de la Tierra.

Piense ahora en la cantidad de sensores que tienen nuestros móviles, y que deseamos que sean más y más precisos. También queremos mejores fotografías y ecografías. ¿Cómo conseguirlo? Adivine… la física cuántica permite también aumentar la sensibilidad y la resolución. Usando entrelazamiento en los componentes del detector es posible conseguir que la respuesta al estímulo tenga un efecto multiplicador y su precisión aumente. Hoy en día existen, gracias al entrelazamiento, relojes atómicos que no se retrasan un segundo en la edad del Universo, nuevos magnetómetros que miden el campo magnético 100 veces mejor y sensores del campo gravitatorio de tal sensibilidad que podrían ayudar a localizarnos en la superficie de la Tierra sin necesidad de GPS. Y más, la tecnología cuántica dará más. En la inteligencia artificial o en el big data y en aplicaciones que ni imaginamos en estos momentos. Y todo ello gracias a esa teoría tan extraña de principios de siglo XX y que promete revolucionar de nuevo nuestras vidas en el siglo XXI.

Manuel Asorey, Fernando Luis, Luis Martín Moreno y David Zueco Universidad de Zaragoza e Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón

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