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Ciencia de frontera

John Martinis: "Al demostrar algo tangible, la gente está empezando a creer de verdad en la computación cuántica"

Este experto mundial en circuitos cuánticos superconductores, protagoniza un coloquio organizado por el INMA. 

John Martinis, ante un esquema de circuitos dibujado por él mismo.
John Martinis, ante un esquema de circuitos dibujado por él mismo.
Álvaro Muñoz Guzmán / SINC

John Martinis dirige la cátedra Worster de Física Experimental en la Universidad de California en Santa Bárbara y es un experto mundial en circuitos cuánticos superconductores. En 2014 fue contratado por el laboratorio Google Quantum A.I. para desarrollar el ordenador cuántico más potente del mundo. En 2019, con su procesador Sycamore, logró, junto con su equipo, la supremacía cuántica, uno de los hitos de la segunda revolución cuántica.

Este jueves 11 de marzo, a las 10.00, ofrecerá una charla titulada ‘Quantum supremacy using a programmable superconducting processor’, en la que compartirá los detalles de esta proeza. Su seminario inaugura el ciclo de coloquios del recién nacido Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (INMA) que, en los próximos meses, acercará a los aragoneses a científicos de primer nivel. La charla podrá seguirse en directo a través de Zoom previa inscripción o bien en el canal de Youtube del INMA. Hemos hablado con él.

Sycamore está todavía lejos de constituir un auténtico ordenador cuántico a prueba de fallos (para lo que necesitaría cientos de miles de qubits). No obstante, este logro tecnológico ha supuesto un importantísimo hito en la historia. ¿Qué consecuencias ha tenido el logro de la supremacía cuántica en el desarrollo de la computación cuántica?

Hemos demostrado que la física que comprendemos y que está detrás de la computación cuántica funciona exactamente igual al aumentar el número de qubits hasta 53 (lo que equivale a 2⁵³ posibles estados). La consecuencia más importante fue que la gente comenzó a creer de verdad en la computación cuántica. Para que se haga realidad es necesario convencer a muchísima gente, investigadores y empresas, para eso tienes que demostrar algo tangible. Ese fue el mayor logro.

¿Qué tecnología se impondrá en el desarrollo de bits cuánticos?

Lo primero que necesitamos es mejorar la calidad de los qubits actuales para reducir errores, ese es el gran reto. Esto es completamente necesario tanto con circuitos superconductores como con cualquier otra tecnología. Tenemos también varias ideas sobre cómo escalar a un mayor número de qubits superconductores, alcanzando miles de ellos. Por otra parte, es fundamental estudiar otras plataformas como los iones atrapados o los fotones.

¿Qué opina del uso de qubits de espín basados en imanes moleculares como los que se investigan en el Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón?

Ahora mismo estoy trabajando también con qubits de espín, codificados en materiales semiconductores. Es muy importante continuar en todas esas direcciones.

¿Qué tecnología cuántica de esta segunda revolución cuántica cree que llegará primero a la sociedad?

La comunicación cuántica es la rama más avanzada. Sin embargo, esta tecnología permite hacer cosas que también se pueden hacer mediante métodos clásicos, como codificar información y transmitirla de manera segura. La computación cuántica es diferente en el sentido de que implicará una auténtica revolución: abrirá las puertas a estudios y aplicaciones completamente impensables.

¿Cómo ve la evolución de las tecnologías cuánticas europeas comparadas con los avances que se han hecho en EE. UU., China o Australia?

La física cuántica nació en Europa, pero también tuvo importantísimas contribuciones por parte de físicos norteamericanos como Richard Feynmann del cual soy un ferviente admirador. De hecho, él fue el primero en proponer la idea de las simulaciones cuánticas. Creo que Europa ha estado tradicionalmente más focalizada en aspectos fundamentales mientras que EE. UU. ha sido más práctica, involucrando también a empresas como sector estratégico. Ambas aproximaciones son importantes y se ayudan la una a la otra, yendo en la misma dirección.

¿Cómo ve la participación de gigantes empresariales como Google o IBM en el desarrollo de la computación cuántica?

Yo trabajé en la Universidad de California Santa Bárbara donde desarrollamos la base fundamental de lo que vendría después. Sin embargo, no hubiéramos podido construir un ordenador cuántico tan potente trabajando desde una universidad pública. En el mundo académico hubiera sido difícil que un equipo numeroso dedicara tanto tiempo a desarrollar tecnología pura. Ahora mismo trabajo en Sydney, en la ‘start-up’ creada por Michelle Simmons, pionera en la fabricación de dispositivos electrónicos a escala atómica. Ella ha conseguido combinar de manera brillante el enfoque empresarial y académico, me gusta mucho la manera en que lo ha hecho.

Procesador Sycamore, de 53 bits cuánticos (qubits) programables, construido por el equipo de Martinis.
Procesador Sycamore, de 53 bits cuánticos (qubits) programables, construido por el equipo de Martinis.
Erik Lucero / Google Quantum A.I.

53 qubits: en el umbral de la supremacía cuántica

La computación cuántica abrirá las puertas a aplicaciones que no podemos imaginar porque realizará en segundos tareas que al superordenador actual más potente le costaría miles de años completar. Por eso de habla de supremacía cuántica.

La mecánica cuántica es una teoría joven con más de 100 años que nos permite entender los mecanismos que rigen el enlace químico entre átomos y moléculas y sus consecuencias. ¿Por qué entonces no podemos predecir el comportamiento de estructuras más complejas? Hacerlo nos permitiría diseñar a la carta fertilizantes óptimos, materiales capaces de almacenar y transportar energía sin pérdidas o vacunas contra la covid-19. Lamentablemente, la complejidad de cálculo que exigen estas aplicaciones es totalmente inabordable para cualquier supercomputador actual. Pero la computación cuántica proporciona una posible solución.

En el año 2019, un equipo financiado por Google y liderado por el físico John Martinis afirmó haber alcanzado la supremacía cuántica con su procesador Sycamore. Esto implica la realización de una tarea que costaría miles de años al superordenador más potente del mundo, algo que nunca se había logrado hasta la fecha. El equipo de Martinis construyó un pequeño procesador de 53 bits cuánticos (qubits) programables. Sycamore generó un millón de cadenas aleatorias de 2⁵³ unos y ceros en solo 200 segundos. Google afirmó que un supercomputador clásico hubiera necesitado diez mil años para hacer el mismo cálculo, aunque esta estimación fue discutida por su principal competidor, IBM.

El experimento de Google está más cerca de lo que se conoce como una simulación cuántica, propuesta originalmente por Richard Feynmann en 1982. Un simulador cuántico usa ‘átomos artificiales programables’, los qubits, para imitar cualquier proceso natural jugando con las mismas leyes que rigen el comportamiento de átomos y moléculas. Podría servir para simular procesos de enorme complejidad como los que dan funcionalidad a las proteínas biológicas o los que alimentan a las células. Es difícil imaginar el impacto que tales cálculos pueden tener para la sociedad en campos vitales, como la salud, la energía, la producción agrícola sostenible o la optimización de redes de transporte, entre otras.

También en Aragón

El hardware de Sycamore está formado por circuitos superconductores. Esta es una de las tecnologías más avanzadas, pero existen otras como las basadas en iones atrapados o en chips semiconductores. En el Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) se investiga una alternativa basada en moléculas magnéticas artificiales. Estas moléculas son perfectamente reproducibles e idénticas entre sí, y pueden producirse en masa usando la química, algo impensable en el caso de qubits superconductores. Además, cada una puede actuar como un miniprocesador cuántico, implementando sencillos algoritmos. En el INMA se investiga la posibilidad de combinarlas con circuitos superconductores, para explotar lo mejor de ambas aproximaciones y dar lugar a un procesador cuántico a prueba de fallos.

María José Martínez Pérez, Fernando Luis Vitalla y David Zueco Láinez Investigadores del Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (CSIC-UZ)

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