Microsoft nos presenta Majorana 1, el primer chip cuántico diseñado a partir de una nueva arquitectura de núcleo topológico, con la que se espera hacer posible el desarrollo – en años y no en décadas- de ordenadores cuánticos capaces de resolver los problemas más complejos. Entre los grandes avances del chip, que emplea el primer topoconductor o superconductor topológico, un tipo de material capaz de ‘observar y controlar’ partículas de Majorana para producir cúbits -componentes básicos de los computadores cuánticos-, más fiables y escalables.
De la misma manera que el progreso en semiconductores ha permitido fabricar todo tipo de ordenadores, servidores, smartphones y, en definitiva, toda la electrónica que nos rodea, los topoconductores y el nuevo tipo de procesador abren camino para desarrollar sistemas cuánticos que pueden escalar a un millón de cúbits. Y gracias a esto, sistemas capaces de abordar los problemas más complejos.
“Antes de ponernos en marcha nos preguntamos: ¿si tuviéramos que inventar el transistor para la era cuántica, qué propiedades debería tener?”, comenta Chetan Nayak, investigador de Microsoft.
“Y así es como realmente llegamos hasta Majorana 1: combinando calidad y detalles importantes en una nueva estructura de materiales es lo que hace posible un nuevo tipo de cúbit y, en última instancia, toda nuestra arquitectura”.
Es más, explica Microsoft, la arquitectura del Majorana 1 facilita el llegar a un millón de cúbits en un solo chip que cabe en la palma de la mano: un paso necesario para que los ordenadores cuánticos ofrezcan soluciones que, de verdad, transformen nuestro mundo, como pudiera ser la descomposición de los microplásticos en subproductos inofensivos o la invención de materiales autorreparables para la construcción, la industria o la sanidad: «todos los ordenadores del mundo funcionando a la vez no pueden hacer lo que lograría ese ordenador cuántico de un millón de cúbits».
“Lo que sea que estés haciendo en el espacio cuántico debe apuntar a alcanzar un millón de cúbits. Si no es así, vas a chocar contra un muro antes de llegar a la escala en la que puedas resolver problematicas realmente importantes: y hemos trazado ese camino hacia el millón“, explica Nayak.
Y es que el topoconductor es una categoría especial de material que puede crear un estado completamente nuevo de la materia: no un estado sólido, líquido ni gaseoso, sino un estado topológico que es el que se aplica en producir un cúbit más estable, rápido, pequeño y que puede controlarse digitalmente sin los inconvenientes que requieren otras alternativas.
Este avance exigió el desarrollo de una estructura de materiales totalmente nueva y basada en arseniuro de indio y aluminio, gran parte de la cual fue diseñada y fabricada átomo a átomo por los investigadores y científicos de Microsoft con el objetivo de crear un nuevo tipo de partículas cuánticas, llamadas ‘majoranas’, con propiedades únicas para llegar «al siguiente horizonte de la informática cuántica».
El primer núcleo topológico en el que se basa el Majorana 1 es fiable y estable gracias a que incorpora tolerancia a errores en el hardware, mientras que las aplicaciones con fines comerciales también requerirán billones de operaciones en un millón de cúbits, lo que sería prohibitivo con los enfoques actuales, que se basan en un preciso control analógico de cada cúbit. El nuevo enfoque de medición del equipo de Microsoft permite controlar los cúbits digitalmente, redefiniendo y simplificando enormemente el funcionamiento de la computación cuántica.
Este progreso valida la elección de Microsoft hace años de perseguir un diseño de cúbit topológico, un desafío científico y de ingeniería de alto riesgo y recompensa que ahora está dando sus frutos. Hoy, la compañía ha colocado ocho cúbits topológicos en un chip diseñado para escalar a un millón.
“Desde el principio hemos querido crear un ordenador cuántico que tenga impacto comercial, no sólo liderar la investigación“, reconoce Matthias Troyer, técnico de Microsoft:“éramos conscientes de que necesitábamos un nuevo cúbit. Y sabíamos que teníamos que escalar“.
Ese enfoque llevó a la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) -agencia federal de EE.UU. que invierte en nuevas tecnologías consideradas como estrátegicas para la seguridad nacional-, a incluir a Microsoft en un programa dirigido a evaluar si las tecnologías innovadoras relacionadas con la computación cuántica podrían facilitar la construcción de sistemas cuánticos comercialmente viables más rápido de lo que convencionalmente se cree posible.
Así, Microsoft se convirtió en una de las dos empresas invitadas a pasar a la fase final del DARPA Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC), un programa que forman parte de la Quantum Benchmarking Initiative, cuyo objetivo es crear el primer ordenador cuántico comercial tolerante a errores o, al menos, uno cuyo valor computacional supere sus costes.
Simplemente da la respuesta
Además de fabricar el hardware cuántico, Microsoft se ha asociado con Quantinuum y Atom Computing para alcanzar avances científicos y de ingeniería con los cúbits actuales, incluido el anuncio el año pasado de la primera computadora cuántica confiable de la industria.
Este tipo de máquinas ofrecen importantes oportunidades para desarrollar habilidades cuánticas, crear aplicaciones híbridas e impulsar nuevos desarrollos, especialmente a medida que la IA se combina con los sistemas cuánticos, impulsados por un mayor número de cúbits fiables. En este momento, Azure Quantum ofrece ya un conjunto de soluciones integradas, que hacen posible aprovechar estas plataformas de IA, computación de alto rendimiento y cuántica en Azure para avanzar en el progreso científico.
No obstante, a pesar de los logros, alcanzar el próximo horizonte de la computación cuántica va a requerir una arquitectura capaz de proporcionar un millón o más de cúbits y alcanzar billones de operaciones rápidas y fiables: el anuncio de Majorana 1 sitúa ese horizonte en pocos años y no de décadas.
Se podrá entonces utilizar la mecánica cuántica para, entre otras cosas, cartografiar matemáticamente el comportamiento de la naturaleza con increíble precisión -desde las reacciones químicas a las interacciones moleculares y las energías enzimáticas-: máquinas de un millón de cúbits resolverán ciertos muy diversos tipos de problemas en química, ciencia de materiales y otras industrias, que hoy, con los ordenadores actuales, son imposibles de solucionar con precisión. Así:
- Ayudarán a resolver la difícil cuestión química de por qué los materiales sufren corrosión o fisuras y dar lugar a materiales autocurativos que reparen grietas en puentes o piezas de aviones, o incluso desarrollar pantallas para smartphones que automáticamente se reparen en caso de rotura o carrocerías para coches que recuperen su estado original después de un golpe.
- Debido a que hay tantos tipos de plásticos, actualmente no es posible encontrar un catalizador único que pueda descomponerlos, lo que es especialmente importante para afrontar el problema de los microplásticos o abordar la contaminación por carbono: calcular las propiedades de dichos catalizadores para descomponer los contaminantes en subproductos o desarrollar alternativas no tóxicas.
- Las enzimas, proteinas que aceleran reacciones bioquímicas en los seres vivos, una especie de catalizadores biológicos, podrían aprovecharse de manera más efectiva en la atención médica y la agricultura: con cálculos precisos sobre su comportamiento que solo la computación cuántica puede proporcionar. Esto podría conducir a avances que ayuden a erradicar el hambre en el mundo: aumentar la fertilidad del suelo para mejorar los rendimientos o promover el crecimiento sostenible de alimentos en climas hostiles.
Sobre todo, la computación cuántica permitirá a ingenieros, científicos, empresas y otros profesionales concebir los desarrollos bien a la primera, lo que supondría una transformación en todos los ámbitos, desde la sanidad hasta el diseño de productos. La potencia de la computación cuántica, combinada con herramientas de IA, permitirá a alguien describir en lenguaje sencillo qué tipo de nuevo material o molécula quiere crear y obtener una respuesta que funcione de inmediato, sin conjeturas ni años de pruebas de ensayo y error.
«Cualquier empresa que fabrique algo podría simplemente diseñarlo a la perfección a la primera. Simplemente te daría la respuesta», asegura Troyer. «El ordenador cuántico enseña a la IA el lenguaje de la naturaleza, de modo que la IA puede sencillamente darte la receta de lo que quieres crear».
Replantear la computación cuántica
El mundo cuántico funciona de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, que son un tanto diferentes de las de la física, vigentes en el mundo que vemos, aunque ambas son válidas en sus respectivos ámbitos. Así, en física cuántica, las partículas, denominadas cúbits, o bits cuánticos, son análogos a los bits, unos y ceros, con los que operan los ordenadores y dispositivos digitales.
Los cúbits son sensibles a las perturbaciones y errores de su entorno, lo que provoca que se desintegren y pierdan información. Su estado también puede verse afectado por la medición, un problema esencial para la computación. Un reto inherente es desarrollar un cúbit que pueda medirse y controlarse, al tiempo que esté protegido del ruido ambiental que los corrompe.
Los cúbits pueden crearse de distintas formas, cada una con sus ventajas e inconvenientes. Hace casi 20 años, Microsoft decidió adoptar un enfoque único: desarrollar cúbits topológicos que, en su opinión, serían más estables y requerirán menos corrección de errores, ganándose en velocidad, tamaño y capacidad de control. El planteamiento suponía aceptar una curva de aprendizaje pronunciada, que exigía significativos avances científicos y de ingeniería, aunque también era el camino más prometedor para crear cúbits escalables y controlables, capaces de realizar un trabajo comercialmente valioso.
La desventaja es, o era hasta ahora, que las partículas exóticas que Microsoft ecidió usar, llamadas majoranas, nunca se habían observado ni generado: no existen en la naturaleza y sólo pueden crearse con campos magnéticos y en superconductores. Esta dificultad de desarrollar los materiales adecuados para crear las partículas exóticas y su correspondiente estado topológico de la materia es la razón por la que la mayoría de los esfuerzos cuánticos se han centrado en otros tipos de cúbits, explica Microsoft.
Un artículo publicado en al revista Nature reconoce que Microsoft no sólo ha sido capaz de crear partículas de majorana, que ayudan a proteger la información cuántica de perturbaciones aleatorias, sino que también puede medir de forma fiable esa información utilizando microondas.
Y es que las majoranas ‘ocultan’ la información cuántica, haciéndola así más robusta, pero también más difícil de medir. El nuevo método de medida del equipo de Microsoft es tan preciso que puede detectar la diferencia entre mil millones de electrones y mil millones uno en un cable superconductor, lo que indica al ordenador en qué estado se encuentra el cúbit, lo que constituye la base de la computación cuántica.
Esas mediciones se activan y desactivan con pulsos de tensión, como con un interruptor de la luz, en lugar de hacerlo ajustando los diales de cada cúbit: un método más sencillo, que permite el control digital, simplifica el proceso de computación cuántica y los requisitos físicos para construir una máquina escalable.
Finalmente, el cúbit topológico de Microsoft también aventaja a otros cúbits por su tamaño. Incluso para algo tan pequeño, hay una zona ‘Goldilocks o Ricitos de Oro’ (que en inglés hace referencia al cuento infantil Goldilocks and the Three Bears (Ricitos de Oro y los tres osos y a la sopa perfecta, ni muy caliente ni muy fría): un cúbit demasiado pequeño es difícil de controlar y uno demasiado grande requiere una máquina enorme, explica Troyer. Añadir la tecnología de control individualizado para este tipo de cúbits obliga a construir un ordenador tan poco práctico como que tendría el tamaño de un hangar o de un campo de fútbol.
Majorana 1, el chip cuántico de Microsoft que contiene tanto cúbits como la electrónica de control circundante, cabe en la palma de la mano y encaja perfectamente en una computadora cuántica que se puede implementar fácilmente dentro de los centros de datos de Azure.
“Una cosa es descubrir un nuevo estado de la materia”, matiza Nayak. “Otra cosa es aprovechar ese conocimiento para repensar la computación cuántica a”.
Diseño de materiales cuánticos átomo a átomo
La arquitectura topológica de cúbits de Microsoft está formada por nanocables de aluminio unidos que forman una hache mayúscula. Cada una de esas haches, que pueden conectarse y distribuirse por el chip como si fueran fichas, encierra cuatro Majoranas controlables y forma un cúbit.La arquitectura topológica de cúbits de Microsoft está formada por nanocables de aluminio que forman una hache mayúscula
“Es un proyecto muy complejo porque hemos tenido que encontrar un nuevo estado de la materia para llegar a él; el resto es bastante sencillo: es, de hecho, una arquitectura mucho más simple que otras y que promete una escalabilidad notablemente mayor”, subraya Krysta Svore, miembro del equipo científico de Microsoft.
El chip cuántico no funciona aisladamente. Existe en un ecosistema con lógica de control, un refrigerador de dilución que mantiene los cúbits a temperaturas mucho más frías que el espacio exterior y una base de software que puede incorporarse a los ordenadores actuales con ayuda de Inteligencia Artificial. Todas esas piezas ya existen, se han construido o modificado íntegramente en nuestros laboratorios, asegura Svore.
Los pasos siguentes, más sencillos que los recorridos hasta ahora según Stove, pasa por seguir refinando los procesos hasta conseguir que todos los elementos funcionen al unísono y de forma acelerada, lo que requerirá años de trabajo y de ingeniería.
Muchas de las metas ya se han superado. Según Stove, lograr que los materiales se apilen correctamente para producir un estado topológico de la materia fue una de las partes más difíciles. Ester otros acpectos porque en lugar de silicio, el topoconductor de Microsoft está hecho a partir de arseniuro de indio, un material que se utiliza actualmente en aplicaciones como detectores de infrarrojos y que tiene propiedades especiales como que,gracias a un entorno de frío extremo, el semiconductor se combina con la superconductividad creando un híbrido.
“Estamos rociando literalmente átomo por átomo con los materiales perfectamente alineados: si hay demasiados defectos en la estructura del material, el cúbit muere,” explica Svore. “Irónicamente, también es la razón por la que necesitamos un ordenador cuántico, porque comprender estos materiales es increíblemente difícil. Con un ordenador cuántico, podremos descubrir materiales con mejores propiedades para construir sucesivas generaciones de ordenadores cuánticos”.