Una startup británica ha dado un paso importante en el campo de la computación cuántica con un avance significativo en la creación de interfaces qubit-fotón, capaces de entrelazar múltiples procesadores cuánticos. Nu Quantum, con sede en Cambridge, Inglaterra, ha desarrollado un prototipo de tarjeta de interfaz de red cuántica, un proceso clave para conectar varios procesadores cuánticos, superando así los desafíos actuales de escalabilidad en este campo.

Las computadoras cuánticas, que utilizan qubits en lugar de los bits tradicionales, ofrecen un potencial computacional mucho mayor, especialmente en problemas complejos. Sin embargo, su ampliación ha sido un reto debido a la fragilidad de los qubits, que son altamente susceptibles a perturbaciones.

La directora ejecutiva de Nu Quantum, Carmen Palacios-Berraquero, destaca que los ordenadores cuánticos actuales, que apenas alcanzan los cientos de qubits, necesitarán contar con miles o millones para resultar verdaderamente útiles.

El nuevo dispositivo de Nu Quantum se basa en la interacción entre qubits y fotones. Esta conexión permite entrelazar qubits a través de fotones que viajan a la velocidad de la luz, lo que facilita la creación de redes cuánticas más amplias. Además, al evitar conexiones físicas, el sistema reduce el riesgo de perturbaciones que podrían desestabilizar los estados cuánticos.

El corazón de esta innovación es una cavidad microscópica diseñada para confinar fotones de manera que interactúen con los qubits de forma eficiente. Según Claire Le Gall, vicepresidenta de tecnología de la empresa, Nu Quantum ha logrado estabilizar la cavidad a una precisión de 80 picómetros, lo que es menos que el ancho de un átomo, una proeza comparable a medir la altura del Empire State con el ancho de un cabello humano.

El dispositivo es prometedor no sólo para computación cuántica, sino también para la creación de redes de sensores y comunicación cuántica, y podría ser fundamental en la próxima generación de tecnologías cuánticas.

Hablar de computación cuántica es una suerte de conversación futurista pero con mucho trabajo de investigación de por medio. Esta tecnología disruptiva aún está en su fase experimental, pero promete ayudar a resolver los grandes problemas socioeconómicos que afectan a la humanidad.

A mediano y largo plazo, la computación cuántica podría ser un ancla para encontrar soluciones a problemáticas como el cambio climático, la inseguridad, la crisis alimentaria, los desastres naturales, la falta de acceso a servicios públicos de calidad y las enfermedades.

Por eso, Evandro Luis Armelin, jefe de Datos y Análisis de NTT Data para las Américas, afirmó que “la aplicación de la computación cuántica sobre todos esos sectores puede significar una inflexión” para América Latina.

“Es una tecnología que va a dar forma al futuro de la humanidad y que no está tan avanzada, implementada o tomada por las otras regiones, lo que significa que no estamos fuera del barco.

“Si somos capaces de mirar esto con cuidado, hacer los planes adecuados, hacer las inversiones adecuadas, podemos aprovechar la computación cuántica y hacer una inflexión para la región. Una inflexión hacia arriba, para la región y aprovechando los beneficios que ella puede traer”, señaló.

De la misma forma que ha sucedido con otras tecnologías como la Inteligencia Artificial, la región latinoamericana no es protagonista en la investigación y desarrollo de la computación cuántica. Otros países y regiones lideran la carrera, como Estados Unidos, China y Japón.

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“Nos falta inversión. Nos falta investigación. No somos productores de conocimiento. Así como en la Inteligencia Artificial (IA), que ya estamos usando y ya somos capaces de obtener los beneficios que puede generar, lo hacemos a través de conocimiento generado en otros centros, generados en Estados Unidos, en China, en otros sitios”.

“Y esto también va a pasar con la computación cuántica. ¿Estamos preparados para una adopción masiva y acelerada en el corto plazo? No. No hay conocimiento. No hay talento en el mercado. Nos faltan muchas cosas para ser capaces de sacar los beneficios de la computación cuántica”.

Sin embargo, Evandro Luis Armelin consideró que, dado el estado actual de experimentación en el que se encuentra esta tecnología, América Latina aún está a tiempo de integrarse al desarrollo.

“¿Qué tenemos que hacer? Proponer las discusiones adecuadas. Garantizar que las compañías y gobiernos comprendan la importancia de esto en el futuro”. Y sobre todo, invertir desde ahora en crear capacidades de computación cuántica en la región.

Históricamente, América Latina no se ha caracterizado por hacer apuestas a largo plazo que no demuestren un beneficio inmediato. Esto puede ser un problema para impulsar la computación cuántica.

Quienes impulsan esta tecnología alrededor del mundo saben que es una labor de largo aliento, que dará frutos y retornos hasta dentro de varios años o quizá décadas.

El experto de NTT Data expuso que las aplicaciones disruptivas de la computación cuántica podrían verse dentro de cinco años o posiblemente hasta 2030, y para 2035 ya podría existir un ecosistema avanzado de casos de uso en ámbitos como el medio ambiente, la salud, la minería o la energía.

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No obstante, hay investigaciones que apuntan a que su pleno desarrollo y evidencia práctica podría demorar todavía décadas.

Cualquiera que sea el escenario futuro, la mayoría coincide en que las inversiones y trabajos sobre la computación cuántica deben hacerse desde ahora.

De lo contrario, será muy difícil y más tardado para aquellos países, regiones, empresas, gobiernos y organizaciones, que no se involucren de manera temprana, alcanzar a los actores más avanzados y aprovechar esta tecnología para resolver sus problemas particulares.

La fiabilidad, el reto de la computación cuántica

La computación cuántica es un campo donde convergen la ciencia computacional, la física cuántica y la teoría de la información. A diferencia del cómputo clásico, la computación cuántica utiliza cúbits como unidad básica de información.

Cuanto más cúbits tiene una computadora cuántica, más potente es. Por eso, las empresas como Google, IBM y NTT Data trabajan en producir y probar diferentes tipos de cúbits que sean de mayor calidad y escalabilidad.

“Los mayores computadores que tenemos hoy en día son como de unos 256 qubits”, puntualizó Luis Quiles Ardila, director de Inteligencia Artificial de NTT Data para América Latina.

“Estos computadores son el grupo de computadores más potentes, y gran parte de la lucha de estos computadores está en realmente ser fiables. Esos cúbits que hablaba antes, representados como soluciones computacionales, físicas, tienen un gran problema de fiabilidad, de que realmente los resultados de sus cálculos sean confiables”, señaló.

Por eso, uno de los grandes retos que deben resolver las empresas y actores inmersos en la computación cuántica es aumentar el número de cúbits de las computadoras cuánticas al mismo tiempo que mantienen resultados fiables.

Mientras eso no suceda, todavía no se pueden esperar aplicaciones tangibles de la computación cuántica.

Aun así, las pruebas y experimentos que se están desarrollando muestran que podría traer beneficios importantes a muchos ámbitos sociales y económicos.

Por ejemplo, la computación cuántica podría hacer posible la simulación genómica para encontrar la cura de enfermedades genéticas, o podría acelerar la investigación y diseño de baterías más eficientes para los vehículos eléctricos.

La compañía estadounidense IBM anunció un nuevo procesador cuántico de 127 qubits llamado “Eagle”, lo que significa un avance significativo para aprovechar el potencial informático de los dispositivos basados en la física cuántica.

De acuerdo con IBM, este nuevo hito señala el punto en el desarrollo de hardware en el que los circuitos cuánticos no pueden ser simulados de manera confiable y exacta en una computadora clásica.

IBM explicó que la computación cuántica aprovecha la naturaleza cuántica fundamental de la materia a niveles subatómicos para ofrecer la posibilidad de una potencia computacional enormemente aumentada.

Detalló que la unidad computacional fundamental de la computación cuántica es el circuito cuántico, una disposición de qubits en puertas y medidas cuánticas. Eso significa, dice IBM, que cuantos más qubits posea un procesador cuántico, más complejos y valiosos serán los circuitos cuánticos que puede ejecutar.

“Eagle es el primer procesador cuántico de IBM desarrollado e implementado para contener más de 100 qubits operativos y conectados. Sigue al procesador IBM ‘Hummingbird’ de 65 qubits presentado en 2020 y al procesador ‘Falcon’ de 27 qubits anunciado en 2019. Para lograr este avance, los investigadores de IBM desarrollaron innovaciones pioneras en sus procesadores cuánticos existentes, como un diseño de disposición de qubits para reducir errores y una arquitectura para disminuir el número necesario de componentes.

“Las nuevas técnicas utilizadas en Eagle colocan el cableado de control en múltiples niveles físicos dentro del procesador mientras mantienen los qubits en una sola capa, lo que permite un aumento significativo de qubits. El aumento de qubits permitirá a los usuarios explorar problemas en un nuevo nivel de complejidad al realizar experimentos y ejecutar aplicaciones, como optimizar el Aprendizaje Automático o modelar nuevas moléculas y materiales para su uso en áreas que abarcan desde la industria energética hasta el proceso de descubrimiento de fármacos”, señaló IBM.

Agregó que “Eagle” es el primer procesador cuántico de IBM cuya escala hace imposible que una computadora clásica simule de manera confiable. De hecho, agregó, el número de bits clásicos necesarios para representar un estado en el procesador de 127 qubits excede el número total de átomos en los más de 7 mil 500 millones de personas en el mundo.

IBM también presentó su Quantum System Two, un concepto para el futuro de los sistemas de computación cuántica diseñado para trabajar con los próximos procesadores IBM de 433 qubits y 1,121 qubits.

“IBM Quantum System Two ofrece un vistazo al futuro centro de datos de computación cuántica, donde la modularidad y la flexibilidad de la infraestructura del sistema serán clave para el escalado continuo. System Two se basa en la larga herencia de IBM, tanto en computación cuántica como clásica, aportando nuevas innovaciones en todos los niveles del stack tecnológico”, dijo Jay Gambetta, IBM Fellow and VP of Quantum Computing.

Los qubits son los componentes fundamentales para el funcionamiento de la computación cuántica. Pueden representar los dos estados correspondientes a los bits binarios clásicos, aunque también pueden tener una “superposición cuántica” de ambos estados simultáneamente, lo que permite a las computadoras cuánticas resolver problemas complejos que son prácticamente imposibles para las computadoras normales.

Sin embargo, la capacidad de un qubit para mantener su estado de superposición es delicada y puede venirse abajo debido al ruido ambiental.

Recientemente, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y el Dartmouth College mostraron por primera vez una herramienta que detecta las características dañinas para los qubits.

Los investigadores han desarrollado modelos basados ​​en estadísticas para estimar el impacto de las fuentes de ruido no deseadas que rodean a los qubits para crear nuevas formas de protegerlos y obtener información sobre los propios mecanismos de ruido. 

No obstante, esas herramientas generalmente capturan el “ruido gaussiano” simplista, esencialmente la recopilación de interrupciones aleatorias de una gran cantidad de fuentes.

En el artículo publicado en la revista Nature Communications, los investigadores describen una nueva herramienta que mide el “ruido no gaussiano” que afecta a un qubit.

Los investigadores desarrollaron técnicas de procesamiento de señales para reconstruir información altamente detallada sobre esas señales de ruido.

Para su trabajo, aprovecharon el hecho de que los qubits superconductores son buenos sensores para detectar su propio ruido. Específicamente, usan un qubit de “flujo”, que consiste en un circuito superconductor que es capaz de detectar un tipo particular de ruido disruptivo, llamado flujo magnético, desde su entorno.

La innovación clave detrás del trabajo es diseñar cuidadosamente los pulsos para que actúen como filtros específicos que extraen las propiedades del “bispectrum”, una representación bidimensional que brinda información sobre correlaciones de tiempo distintivas del ruido no gaussiano.

Esencialmente, al reconstruir el biespectro, podrían encontrar propiedades de señales de ruido no gaussianas que afectan al qubit con el tiempo, que no existen en las señales de ruido gaussianas.

La idea general es que, para el ruido gaussiano, sólo habrá correlación entre dos puntos en el tiempo, lo que se conoce como una “correlación de tiempo de segundo orden”. Pero, para el ruido no gaussiano, las propiedades en un punto en el tiempo se correlacionarán directamente con las propiedades en múltiples puntos futuros. Tales correlaciones de “orden superior” son el sello distintivo del ruido no gaussiano.

Esta información puede ayudar a los programadores a validar y adaptar la supresión de errores dinámicos y los códigos de corrección de errores para qubits, que corrige los errores inducidos por el ruido y garantiza un cálculo preciso.