computadora cuántica escalable

Un bibliotecario en un depósito de libros raros toma un volumen del estante y lo devuelve a su lugar sin despertar al gato que dormita cerca. Así funciona la nueva memoria cuántica: atrapa un fotón, lo esconde en la vibración mecánica de un puente diminuto de silicio y lo devuelve a la primera orden.

En una sala ruidosa, un intérprete intenta captar cada palabra, pero los murmullos y el eco distorsionan el sentido. Algo parecido ocurre cuando los métodos informáticos convencionales calculan sistemas cuánticos complejos: cuantas más partículas y más fuertes sean sus interacciones, más rápido se ahogan los cálculos entre interferencias.

Los datos en internet viajan a la velocidad de la luz a través de fibra óptica. En las redes clásicas los retrasos no son críticos, pero para la comunicación cuántica se necesita una sincronización perfecta: las partículas de luz con la información codificada deben coincidir en el detector en un mismo…

Calibrar un procesador cuántico es una tarea monótona: hay que calibrar cada cúbit —la celda cuántica— como un relojero ajusta docenas de engranajes. El ser humano se cansa y comete errores.

Una trampa invisible de luz láser retuvo 11 mil átomos: un récord para la ingeniería cuántica. Antes los físicos se las arreglaban con decenas de estas partículas; ahora la cuenta llegó a miles. Cada átomo se convierte en un cúbit —un bit cuántico, a la vez cero y uno, como una moneda girando sobre su canto.

Un transistor de efecto de campo común se parece a un grifo con una manija muy sensible: giras un poco y el agua fluye. En las frías profundidades de una computadora cuántica, donde todo se enfría casi hasta el cero absoluto, ese grifo debe abrirse estrictamente bajo comando.

Imagina una biblioteca donde, en lugar de libros, hay todas las combinaciones concebibles de unas decenas de partículas cuánticas. El número de estas combinaciones crece como una bola de nieve: añade una partícula y el volumen se duplica. Para cincuenta partículas, hay más estantes que átomos en el universo visible.

Dos dados siempre caen del mismo lado, sin importar cuán lejos se lancen. En física cuántica, este comportamiento se llama entrelazamiento, y es el recurso principal para las computadoras del futuro y las comunicaciones seguras. Pero el problema es que no todo entrelazamiento es fácil de detectar.

El bit cuántico (cúbit) es una construcción sumamente delicada. Incluso un leve calor lo destruye, como un empujón accidental derriba una copa de cristal. Para proteger la frágil información, los físicos han creado una estructura cuántica tridimensional que recuerda a una matrioska.

Un pescador lanza su red en un remanso tranquilo. Cuanto más larga es la cuerda, más débilmente siente la más mínima picada: la onda se atenúa por el camino. Pero, ¿y si la señal no se apagara, sino que aumentara? Más o menos este truco es el que describen los autores de un trabajo sobre un conjunto de partículas situadas en un campo con un desnivel de fuerza especialmente "escalonado".

Un procesador cuántico se parece a un cruce muy transitado: cuantos más coches, más difícil es que se crucen sin accidentes. En el mundo cuántico, el papel de los coches lo juegan los qubits —los portadores elementales de información que, a diferencia de los bits clásicos, pueden ser 0 y 1 a la vez.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico debe entrar en su momento exacto. Antes, para tocar una pieza compleja, había que reacomodar constantemente los instrumentos, lo cual era lento y ruidoso. El nuevo esquema, llamado «arquitectura de paridad», mantiene a todos en su lugar y el director simplemente cambia las notas.

El gran misterio de la física es cómo unir la curvatura del espacio-tiempo y la mecánica cuántica. A la longitud de Planck, miles de millones de veces más pequeña que un átomo, las leyes dejan de funcionar. Este umbral lo descubrió Max Planck.

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.

En lugar de millones de partículas rígidamente fijadas, 10 000 átomos que funcionan como fichas de un ábaco cuántico. Cada ficha puede ser cero y uno simultáneamente. Pero lo crucial: si en el cálculo se cuela un error, los átomos se pueden mover físicamente: como reconfigurar el ábaco sobre la marcha para que el fallo no estropee el resultado.

Minar bitcoin es como una lotería: los mineros prueban miles de millones de números para encontrar uno afortunado. Un ordenador normal lo hace a ciegas, gastando electricidad. Un ordenador cuántico podría probar opciones más rápido, como si buscara una aguja en un pajar sacudiendo todo el pajar a la vez. Los autores del nuevo estudio calcularon cuánto costaría en la realidad ese «sacudidor» cuántico.

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.

La computadora cuántica IBM Heron R3 resolvió un problema ante el que el método clásico se echó atrás. Se trata de encontrar el estado fundamental, es decir, el nivel de energía más bajo de un sistema de 49 bits cuánticos.

La luz, al pasar por una lente, se curva ligeramente. Para una computadora óptica, esto es como un espejo deformado para un artista: la imagen está, pero los detalles se desdibujan. La máquina de Ising basada en rayos de luz resuelve problemas como organizar equipaje o planificar la ruta de un mensajero.

La luz corre por un laberinto de espejos y divisores de haz, pero al final del camino no solo parpadea en un detector: se transforma a sí misma. En la nueva computadora fotónica, a los circuitos lineales habituales se les han añadido módulos no lineales, y ahora la luz puede realizar cualquier operación cuántica, no solo una parte de ellas.

Los cúbits en un ordenador cuántico se parecen a los músicos de una orquesta: cada uno debe oír a los demás, o la música se desmorona. Pero si se conectan los músicos con cables de forma fija, empiezan a estorbarse mutuamente: así surge en los chips superconductores una interacción no deseada que estropea los cálculos.

En una oblea de silicio, parecida a un barrio residencial, los cúbits —electrones con espín— viven en «casas» separadas. Antes, los vecinos solo se comunicaban a través de la valla, pero ahora han construido una carretera entre ellos: por ella, un cúbit viaja a cualquiera de las cuatro paradas.

En un laboratorio tranquilo, sobre una mesa, hay un dispositivo del tamaño de un microondas. Dentro, una bobina se desliza suavemente hacia arriba y hacia abajo mientras un ordenador registra las señales eléctricas. Así es la versión de sobremesa de la balanza de Kibble, un aparato que vincula la masa con las constantes cuánticas.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta donde cada músico toca su parte. Con pocos instrumentos, el director puede manejar a cada uno por separado. Pero cuando hay miles de músicos, las órdenes individuales se vuelven inmanejables.

Los dispositivos cuánticos suelen mantenerse en criostatos, grandes termos donde la temperatura es más baja que en el espacio exterior. Un ion de erbio atrapado en una diminuta trampa sobre un chip de silicio rompe esta tradición.

Crear luz con un número exacto de fotones es como acuñar justo 100 000 monedas sin defectos. Hasta ahora, los físicos solo podían controlar unas decenas de partículas. La tecnología de la «máquina óptica» rompe esa barrera: las lentes virtuales, como fresas en un torno, eliminan el «desenfoque» y garantizan que cada paquete contenga exactamente la cantidad deseada de fotones.

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.

Un enorme refrigerador del tamaño de un armario zumba, manteniendo en su interior una temperatura más baja que la del espacio exterior. En su corazón yace un chip de silicio con diminutos lazos superconductores: los cúbits.

Dos qubits superconductores en un mismo chip suenan tan limpios como solistas en una orquesta. Cada uno es un transmón, un qubit con menor sensibilidad al ruido de carga. Están conectados mediante un acoplador sintonizable, un elemento auxiliar que ajusta la fuerza de interacción entre ellos.

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.

Un procesador cuántico superconductor es como una metrópolis microscópica encerrada en un refrigerador criogénico: calles de líneas superconductoras, barrios de cúbits.

Una orquesta donde cada músico toca un instrumento que se rompe con el más mínimo calor. El director es el procesador cuántico, y los músicos son los cúbits, frágiles portadores de información cuántica. Para que suenen en armonía, se necesita todo un equipo de afinadores que se sientan en la habitación contigua y transmiten órdenes a través de una pared insonorizada.

Un procesador cuántico es como un músico solista: puede tocar una melodía sencilla, pero para una sinfonía se necesita una orquesta. Para abordar problemas que requieren enormes cálculos, los procesadores deben conectarse en red.

Una supercomputadora que simula el comportamiento del plasma láser se parece a una cocina donde cientos de chefs preparan un mismo plato. Si en una hornilla se amontonan diez personas y en otra no hay nadie, el trabajo se detiene. Lo mismo ocurre en los cálculos: las partículas de plasma se acumulan en unas zonas del espacio, dejando otras casi vacías.

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.