procesador cuántico de IBM

Un camino largo se puede recorrer, o se puede convertir en una ruta corta sin perder los hitos clave. En la computación cuántica, ese camino es la evolución del estado en el tiempo: requiere cadenas de operaciones cada vez más largas y, en un procesador real, pronto se hunde en el ruido.

En una habitación tranquila, sin un solo imán, dos electrones en una trampa de silicio siguen sintiendo un leve temblor. Lo crean los núcleos de los átomos de silicio y germanio, que giran caóticamente como las agujas de brújulas rotas. Antes se consideraba ese temblor una molestia, pero ahora se ha convertido en un instrumento de medición.

Un laboratorio cuántico se parece a una cocina donde el cocinero espera un día entero a que se enfríe la placa. Los cúbits superconductores solo funcionan a temperaturas de centésimas de kelvin, y cada ciclo de “enfriar, medir, calentar” se come una jornada.

Un agujero negro es un laberinto del que no se puede salir. Pero, ¿qué ocurre con la información en su interior? Para comprobarlo, los físicos no viajaron hasta el agujero más cercano, sino que construyeron una diminuta réplica en un procesador cuántico.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta: cada instrumento es un cúbit y el director es el procesador de control. El director no solo debe marcar el tempo, sino también cambiar la partitura a tiempo si un solista toca algo inesperado.

Cuando un fluido rodea un obstáculo, genera vórtices y ondas de choque. Describir su comportamiento significa resolver una ecuación no lineal en la que la velocidad del flujo depende de sí misma.

En el mundo de las partículas cuánticas hay sus propios «introvertidos»: los anyones. No se parecen a los electrones o protones habituales. Si intercambias de lugar a dos de estos «introvertidos», ellos recuerdan la maniobra, como dejando una huella invisible.

A veces, una taza de café caliente se congela más rápido que el agua fría del grifo. Esta paradoja, conocida como efecto Mpemba, durante mucho tiempo se consideró una curiosidad de la física clásica. Ahora, su análogo cuántico ha ayudado a probar y ajustar procesadores cuánticos, dispositivos que algún día podrían ser la base de computadoras ultrapotentes.

En una olla de sopa, cada grano es un diminuto imán que quiere orientarse en dirección opuesta a su vecino. Calienta la sopa y los imanes empezarán a agitarse, obedeciendo al calor. Pero, ¿cómo saber cuán desobedientes son a cada temperatura? Para una sustancia ordinaria, esto se calcula en potentes computadoras, probando todas las opciones.

Si llevas una taza de café por la habitación de forma lenta y suave, y luego vuelves al mismo lugar, a la bebida no le pasa nada. Pero en el mundo cuántico es diferente: una partícula que completa un círculo similar no regresa exactamente igual. Adquiere un 'extra' esquivo: la fase geométrica, que los físicos llaman fase de Berry.

El universo primigenio se asemejaba a un globo que se infla rápidamente: se expandía tan deprisa que la luz no podía alcanzar sus propios bordes. Luego, esa frenética aceleración dio paso a una expansión tranquila. Dejaron de inflar el globo y este comenzó a desinflarse lentamente.

Las hileras de cables que van de la sala templada al frigorífico con el chip cuántico recuerdan a una centralita telefónica enredada del siglo pasado. Cada cúbit exigía su propio canal analógico para un ajuste fino, y los cables aportaban calor extra y se enredaban entre las manos.

Una orquesta donde cada músico toca su parte y el director intenta captar la melodía general. Así es como los físicos observan los electrones en los cupratos, materiales cerámicos que conducen la corriente sin resistencia a temperaturas superiores a las del nitrógeno líquido.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico debe tocar su parte a la perfección, o la melodía se desmorona. Antes, controlar los cúbits —los "músicos" cuánticos— requería una sala llena de equipos, y cada cable extra añadía ruido.

Dieciocho diminutas celdas se alinean en dos filas sobre un trozo de germanio. Cada celda es un punto cuántico, una trampa para un solo electrón cuyo espín actúa como cúbit. Antes, estos sistemas solo podían ensamblarse de a pocos; aquí, en cambio, tenemos una rejilla completa que funciona como un conjunto unificado.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta donde cada músico toca su parte, pero basta con que el director agite la batuta un poco más fuerte para que los instrumentos más delicados se desafinen por el calor extra. Controlar cúbits a 10 mK (300 veces más frío que un congelador) es como dirigir una orquesta en una sala helada, donde incluso el aliento puede estropearlo todo.

Un cubito de hielo en el té se derrite sin dejar rastro. Así, los sistemas cuánticos normalmente olvidan rápido su pasado. Pero con un desorden fuerte aparece la localización de muchos cuerpos: las partículas como que se congelan, preservando la memoria. El experimento en un procesador IBM de 144 cúbits duró 5000 ciclos.

Una computadora cuántica es como una orquesta, donde cada cúbit es un músico que toca su parte. Pero de vez en cuando irrumpe un rayo cósmico en la sala, y el violinista se sobresalta y pierde el ritmo. Estas partículas del espacio profundo atraviesan el chip, expulsan electrones extra y estropean la frágil música cuántica.

Una olla de agua en el fuego es solo agua, pero dentro de cada molécula hay un baile continuo. Los átomos de hidrógeno y oxígeno vibran, incluso en el cero absoluto, porque así es el mundo cuántico. Estas vibraciones cambian cuánto calor almacena el agua y cómo fluye.

Dentro del protón, los quarks se atraen mediante gluones, como si estuvieran unidos por resortes. Si sueltas un quark, el resorte se estira y se rompe, generando un quark nuevo. Así funciona la interacción fuerte, y calcularla en tiempo real con una computadora ordinaria es casi imposible: hay demasiadas posibilidades y todas están entrelazadas.

Un ordenador cuántico es como una orquesta en la que cada músico-cúbit debe tocar su nota sin desafinar. Pero de vez en cuando irrumpe en la sala un transeúnte —una partícula de radiación del espacio— y desentona a los músicos. Estos fallos se denominan ráfagas de errores y dificultan los cálculos.

Las computadoras cuánticas prometen resolver problemas inaccesibles para las máquinas convencionales, pero su corazón — los cúbits — exige temperaturas ultrabajas, cercanas al cero absoluto. Por lo general, controlar los cúbits y leer su estado se hace desde una sala templada, tendiendo muchos cables a través del refrigerador.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta caprichosa: cada cúbit es un músico que escucha el más mínimo ruido y se desconcierta. Para tocar una compleja sinfonía de cálculos se necesitan cientos de instrumentos afinados al unísono.

Dentro de cada célula ocurren constantemente reacciones químicas, como en una diminuta cocina donde las proteínas, cual chefs, preparan las sustancias necesarias. Pero ver exactamente cómo el chef cocina el plato se ve obstaculizado por la multitud de otras moléculas alrededor.

Dos electrones en un tubo estrecho no quieren estar cerca. Ambos tienen carga negativa y se repelen, como dos imanes con polos iguales enfrentados. Si el tubo es muy delgado, no pueden separarse lateralmente; solo les queda alinearse uno detrás del otro. Los físicos llaman a esto localización de Wigner: las partículas ocupan posiciones fijas, como cuentas en un hilo tenso.

Una orquesta toca dentro de un frigorífico gigante. Los músicos son los cúbits, las celdas elementales de la computadora cuántica. Para que suenen afinados hace falta silencio: los ruidos térmicos apagan la melodía. Por eso el corazón del procesador cuántico se enfría hasta casi el cero absoluto: menos 273 grados Celsius.

El cúbit, el corazón de la computadora cuántica, es como una pompa de jabón: el más mínimo soplo la revienta. En la Tierra, la gravedad tira de las pompas hacia abajo, creando vibraciones, y la agitación térmica de los átomos añade temblor.

En el nuevo procesador Helios, 98 iones de bario giran en una ruta cerrada, como caballitos en un carrusel. Esta arquitectura permite que cualquier ion intercambie datos con cualquier otro, haciendo el sistema flexible y potente. Los pulsos láser, como una batuta de director, dan órdenes a la velocidad de la luz.

Cables comunes: los electrones se empujan, pierden energía, se calientan — eso es resistencia. En los superconductores, parte de los electrones se sincronizan en pares, como bailarines que giran sin chocar. Pero los pares se esconden: no se pueden ver directamente, solo adivinar por su impecable coordinación.

En el mundo cuántico, el ruido suele destruir el comportamiento ordenado, como si empujones aleatorios apagaran un péndulo. Pero en los procesadores cuánticos de IBM, los físicos descubrieron lo contrario: el ruido estructurado puede prolongar e incluso crear oscilaciones rítmicas. Es como un péndulo que, con empujones desordenados pero internamente coherentes, oscila más fuerte.

En el corazón de un superconductor, los electrones se fusionan en pares de Cooper y se mueven sin resistencia. Pero si en ese orden perfecto surge un vórtice, una diminuta región donde la superconductividad desaparece, aparecen allí excitaciones especiales: las cuasipartículas de Bogoliubov.

En un laboratorio oscuro, donde los chips superconductores se enfrían a milésimas de kelvin, un cubit gira bajo la acción de un campo magnético. Un cubit ordinario rota en una dirección. El anticubit, su gemelo especular, rota en la opuesta. Juntos forman un par que percibe el campo con el doble de agudeza que cualquier par ordinario.

En 2019, un grupo de teóricos se planteó una pregunta sencilla: ¿qué ocurriría si en un ordenador cuántico ordinario se insertara un único elemento irreversible, una puerta que «se come» un poco de probabilidad? La respuesta resultó demoledora.

Escalar un computador cuántico es como tejer una telaraña de luz: cada hilo tiembla con el aliento térmico, amenazando con romper el patrón apenas esbozado.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta en la que cada músico toca un instrumento invisible. En lugar de violines y trompetas, hay cúbits: partículas frágiles a las que basta un mínimo calor o ruido para sacarlas del compás.