Una vez ya conoces el potencial de una computadora cuántica para desafiar la seguridad actual de los servicios de red, es hora de conocer con qué tecnologías es posible crear una computadora cuántica. Este no es un asunto menor, ya que la mayoría de los servicios esenciales en la actualidad dependen del uso de plataformas en línea. El desafío actual consiste en construir una computadora lo suficientemente potente con millones de qubits para poder descifrar los algoritmos de cifrado actuales. Naciones y grandes corporaciones están literalmente compitiendo por alcanzar este hito.
Los desafíos del ordenador clásico se repiten en el cuántico: Bit vs Qubit
Si revisamos la historia de las computadoras actuales, las clásicas, nos daremos cuenta de que los desafíos que tuvieron que superar los primeros pioneros son muy similares a los de los equipos actuales que trabajan en la creación de ordenadores cuánticos.
En aquellos primeros años, no existía una manera física de representar, preservar o manipular el estado básico de un ordenador clásico: un bit. Antes de la era electrónica, se utilizaron soluciones mecánicas como la máquina analítica de Charles Babbage. Luego vinieron las válvulas de vacío, que actuaban como interruptores controlados electrónicamente. Una máquina de válvulas de vacío, como la ENIAC (1946), operada por seis mujeres pioneras, ocupaba 167 metros cuadrados. No fue hasta la invención de transistores y circuitos integrados en la década de 1950-1960 que permitieron la miniaturización, logrando así una forma sostenible de escalado para construir máquinas cada vez más complejas, tal como las conocemos hoy en día.
En los ordenadores cuánticos, la información básica es un qubit. Los qubits pueden presentar un estado intermedio o en superposición de dos estados (0 o 1). Los qubits pueden entrelazarse para formar una red, donde el cambio de un estado de un qubit afecta instantáneamente a todos los qubits «conectados». En la actualidad, no disponemos de una tecnología capaz de implementar qubits de manera escalable. La situación es muy similar a los años en que no sabíamos cómo hacer circuitos integrados.
Características deseables en un buen qubit
Las características de un buen qubit no difieren mucho de las de un buen bit clásico. El objetivo final es construir una máquina con suficiente número de qubits capaz de resolver un problema específico.
Un qubit debe representar de manera fidedigno (fidelity) al estado deseado de superposición. En este estado, cada uno de los dos estados (0 o 1) tiene una probabilidad determinada de ‘colapsarse’. Si hacemos una analogía entre un qubit y una moneda lanzada al aire, tanto la cara como la cruz tienen una probabilidad de aparecer una vez que toca el suelo. Los qubits son como monedas donde ambas probabilidades pueden ser programadas y manipuladas. Un buen qubit no debe superar 1 error entre 100,000.
El tiempo de coherencia cuántica es el tiempo que un qubit puede mantener su estado en superposición. Es similar al tiempo que una moneda permanece en el aire antes de tocar el suelo. Un tiempo de coherencia largo suele permitir realizar cálculos más complejos.
Al igual que el aire de la habitación puede modificar la probabilidad de obtener cara o cruz en una moneda, la temperatura ambiental puede cambiar el estado de superposición de un qubit. La temperatura de operación se convierte así en otro factor relevante a tener en cuenta al analizar la tecnología de un qubit.
Los qubits deben conectarse (entrelazarse) entre sí para permitir cálculos cuánticos. La capacidad de entrelazamiento es un factor crucial. Un qubit perfecto, pero sin capacidad de conectarse con otros, no es muy útil para hacer cálculos.
Como hemos mencionado, se busca la manera de tener millones de qubits en una misma máquina. Del mismo modo que los circuitos integrados han permitido a las computadoras clásicas tener billones de transistores, se está trabajando en formas de integrar millones de qubits en un espacio limitado de forma escalable. El desafío es enorme porque los qubits actuales ya están a nivel atómico, y no se pueden aplicar más técnicas de miniaturización.
En resumen, la búsqueda se centra en encontrar formas de crear qubits pequeños capaces de interconectarse en grandes cantidades en un espacio limitado. Estos qubits deben representar de manera fiel el estado en superposición, sin cometer errores, durante un tiempo lo suficientemente prolongado para abordar con éxito los problemas planteados.
Tipos de qubits
Qubits superconductores
El chip cuántico Osprey de IBM, con 433 qubits, utiliza qubits superconductores que generan estados de superposición en circuitos electrónicos. Aunque su proceso de fabricación es similar al de los circuitos integrados, tiene la desventaja de requerir temperaturas cercanas al cero absoluto (10-20 milikelvins) y presenta un tiempo de coherencia limitado. Esta tecnología es compartida por empresas como Google y startups como Rigetti.
Qubits de iones atrapados
Otra opción para implementar qubits es mediante iones atrapados, átomos con un electrón menos. Aunque tienen un tamaño similar a los qubits superconductores, destacan por su mayor tiempo de coherencia (minutos frente a milisegundos) y una temperatura de operación más alta (pocos kelvins). No obstante, su principal desventaja radica en el tiempo necesario para manipular el estado de los qubits. Empresas como Honeywell y IonQ emplean este tipo de qubits.
Qubits semiconductores
Investigadores en QuTech desarrollan qubits basados en semiconductores, que, a diferencia de los qubits superconductores, se centran en el espín de los electrones. Estos qubits ofrecen un tiempo de coherencia elevado y tienen el potencial de escalar en cantidad de qubits en una superficie limitada. No obstante, su desventaja actual es la fidelidad, con un error aproximado de uno por cada 1000 qubits.
Qubits fotónicos
Equipos de investigación están trabajando en qubits fotónicos, utilizando fotones de luz para crear qubits. Aunque pueden operar a temperatura ambiente, la desventaja principal es el espacio requerido para alojar los equipos que guían los fotones. Empresas como Xanadu o PsiQuantum están investigando en esta dirección.
Qubits basados en el Centro Nitrógeno Vacante
Otro tipo de qubit que puede operar a temperatura ambiente son aquellos basados en el Centro Nitrógeno Vacante. Estos qubits implican reemplazar un átomo de carbono por un átomo de nitrógeno en un cristal de diamante. Son relativamente pequeños y están siendo desarrollados activamente por Quantum Brilliance en Australia.
Qubits topológicos
Los qubits más raros son los llamados qubits topológicos, basados en cuasipartículas donde varias partículas se mueven en consonancia. Este tipo de qubits es altamente robusto, y empresas como Microsoft están investigando en este campo.
Qubits imperfectos
Es relevante destacar que los qubits no necesitan ser perfectos para ser útiles. La empresa D-Wave utiliza qubits imperfectos para resolver problemas de optimización en áreas como logística, diseño de medicamentos o creación de nuevos materiales. D-Wave promete acelerar aplicaciones comerciales de optimización entre 100 y 500 veces.
Todavía no contamos con la tecnología definitiva para la producción de qubits a gran escala, diversas empresas e instituciones están inmersas en una competencia por encontrar la solución. Aunque el desafío es monumental, el atractivo de lograr el primer ordenador cuántico capaz de abordar problemas significativos es aún más grande. Sin lugar a duda, veremos nuevos avances en el fascinante campo de la tecnología cuántica.
