Un equipo de investigadores da los primeros pasos para resolver el problema de la tiranía de los números cuánticos

M. Fernando González Zalba

El mundo de la física cuántica es fascinante. Presenta una descripción de la naturaleza que desafía nuestros conceptos más enraizados sobre lo que es la realidad. Por ejemplo, los objetos cuánticos poseen propiedades “misteriosas” que les permiten estar en múltiples lugares al mismo tiempo, moverse en diferentes direcciones simultáneamente o incluso existir y no existir a la vez. En otras palabras, viven varias historias paralelas.

Hacer uso de estas historias paralelas para realizar cálculos es en lo que se basa la computación cuántica, un mundo en el que la información se procesa utilizando las leyes de la física cuántica. Hoy en día, los ordenadores cuánticos son objeto de una extensa investigación experimental y teórica, ya que se supone que, en un futuro, éstos podrán resolver muchos de los retos computacionales actuales. Se trata de problemas que ni siquiera los supercomputadores más sofisticados de hoy, o del mañana, serán capaces de resolver.

Por ejemplo, los ordenadores cuánticos prometen ayudarnos a diseñar nuevos materiales de manera más eficiente como, por ejemplo, superconductores a temperatura ambiente que nos permitan reducir el consumo energético global o catalizadores para la reducción de gases de efecto invernadero y la producción eficiente de fertilizantes. Podríamos hacer búsquedas mucho más rápidas en bases de datos no estructuradas, lo que sería de gran utilidad en la era del Big Data en la que vivimos porque nos permitiría identificar enfermedades genéticas de manera más rápida y precisa. Nos ayudarían incluso a resolver problemas complejos de optimización que facilitarían la predicción del tiempo y el modelado del mercado financiero. Y, finalmente, con ellos podríamos descifrar códigos criptográficos indescifrables para los ordenadores de hoy en día.

Los ordenadores cuánticos utilizan un nuevo tipo de unidad de información – el bit cuántico o qubit – que puede estar en una superposición de estados binarios, 0 y 1, al mismo tiempo. Actualmente, en centros de investigación internacionales, existen pequeños ordenadores cuánticos con unas pocas decenas de estos qubits, lo que permite resolver versiones sencillas de estos algoritmos. Sin embargo, un superordenador también puede hacer estos cálculos sin mucho esfuerzo. Más recientemente, investigadores del laboratorio Google AI, utilizando un procesador de 53 qubits, han conseguido demostrar experimentalmente que los ordenadores cuánticos pueden resolver un tipo de problemas imposible para los ordenadores convencionales. Sin embargo, las posibilidades de aplicar este algoritmo para resolver problemas del mundo real son actualmente bastante limitadas. La cosa se pone interesante pasada la frontera de aproximadamente 100 qubits, cuando los ordenadores cuánticos podrían empezar a resolver problemas con impacto social que quizás los supercomputadores no puedan resolver nunca. Llegados a los miles, podrían llegar a cambiar radicalmente la sociedad en la que vivimos.

En la carrera por construir esta máquina de cálculo existen varios obstáculos. Uno de ellos es que, en los ordenadores cuánticos actuales, los qubits están conectados con cables uno a uno, de manera similar a los primeros ordenadores convencionales. Recuerden “La Bomba” de Alan Turing en la película “Descifrando Enigma” o el ordenador Colossus que también ayudó a los aliados a ganar la Segunda Guerra Mundial. Auténticas bestias de la computación. En aquella época, cada componente electrónico tenía que ser cableado uno a uno y, como cada componente conectaba a varios, el número de conexiones crecía exponencialmente generación tras generación. Este problema se conocía por aquel entonces como el problema de la “tiranía de los números”, acunado así a finales de los 50 por el vicepresidente de desarrollo de dispositivos de Bell Labs, Jack Morton.

Debido a este problema, no fue hasta la invención del circuito integrado – por Jack Kilby, de Texas Instruments – cuando el mercado de los ordenadores empezó a despegar. El circuito integrado ha permitido poner billones de componentes electrónicos en un chip del tamaño de la yema de un dedo sin necesidad de cablearlos a mano uno a uno. En el mundo de los ordenadores cuánticos, pasa un poco lo mismo. Actualmente, los qubits están cableados uno a uno, lo cual funciona bien para un número pequeño de qubits. Pero conforme empecemos a construir ordenadores cuánticos más sofisticados, esta táctica no será viable. Podríamos llamar a este fenómeno “La tiranía de los números cuánticos”.

Para resolver este problema, un equipo de investigación constituido por miembros del Hitachi Cambridge Laboratory, la Universidad de Cambridge, University College London y Leti (Francia); y liderado por un miembro de CERU/SRUK, M. Fernando González Zalba, ha desarrollado un circuito que combina qubits con electrónica analógica y digital en un mismo circuito integrado. El trabajo, que ha sido publicado en la edición de junio de la revista Nature Electronics [1], muestra cómo es posible combinar las tecnologías en un solo chip. De este modo, no habría que cablear cada qubit una a uno, facilitando así la fabricación de ordenadores cuánticos más sofisticados y que, eventualmente, permitan superar las capacidades de los ordenadores convencionales. El chip está basado en tecnología de silicio, la misma tecnología que se utiliza en la producción de chips para ordenadores, móviles, coches, etc.; lo que ayudará a que la tecnología sea adoptada por la industria de manufactura de microprocesadores y permita su comercialización a gran escala en un futuro.

Imagen de microscopio óptico de uno de los chips integrados de silicio que se utilizó para realizar los experimentos.

 

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Por M. Fernando González Zalba, Líder del Grupo de Computación Cuántica, Hitachi Cambridge Laboratory, Hitachi Europe Ltd.

Más información:

  1. Schaal, S., et al. Nat Electron 2, 236–242 (2019) 
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