El estado actual de la computación cuántica

La computación cuántica es diferente

Quantum computing is the idea of using quantum physics to perform calculations, which differs from normal semiconductor-based computing methods. Instead of generating 0 and 1 (no current or current), it uses “quantum bits,” called qubits, where particle data is either 0 AND 1 at once, or 1, or 0.

Debido a la diferencia fundamental en la forma de cálculo, la computación cuántica no es tanto una alternativa a la computación “normal”, sino más bien un complemento.

La computación estándar funciona de manera lineal y tiene dificultades con cálculos muy complejos, como la modelización climática, la criptografía o la configuración 3D de moléculas complejas como las proteínas. Y este es precisamente el tipo de cálculo en el que se espera que la computación cuántica sobresalga.

Así que, aunque es probable que nuestras laptops y smartphones nunca sean computadoras cuánticas, podrían revolucionar la investigación científica.

La computación cuántica es difícil

Así, con la promesa de que los superordenadores cuánticos rendirán mil veces mejor que los actuales, no es sorprendente que se haya realizado mucha investigación para convertirlos en realidad.

Pero el problema es que crear siquiera un qubit es técnicamente muy difícil. La primera dificultad es que la computación cuántica solo funciona a temperaturas ultra bajas, alrededor de un centenar de grados por encima del cero absoluto. Solo en estas condiciones algunos materiales únicos se convierten en superconductores (materiales sin resistencia eléctrica). Esto consume energía, es costoso y difícil de lograr.

Y luego, gestionar el control, la manipulación y la “lectura” de los datos en un qubit también es complejo, generalmente involucrando láseres ultra precisos, microscopios atómicos y sensores. Por último, cualquier interferencia hará que el qubit sea inútil, por lo que también se necesita lograr un vacío perfecto.

Mientras los chips semiconductores manipulan la materia a escalas de apenas unos pocos átomos, la computación cuántica busca manejar la materia a escala de partículas. Notablemente, una computadora cuántica práctica requerirá miles de qubits para mantenerse estable e interactuar entre sí.

La computación cuántica progresa

Superando el umbral de 1,000 qubits

Un equipo encabezado por el profesor Gerhard Birkl del grupo de investigación “Atoms – Photons – Quanta” en el Departamento de Física de TU Darmstadt en Alemania ha creado la computadora cuántica más grande hasta la fecha.

Han creado una computadora cuántica con 1,000 qubits atómicos controlables individualmente, ganando una carrera en el campo contra muchos otros equipos científicos.

Fuente: Optica

La marca de 1,000 es parcialmente simbólica pero también está cerca del número que se espera sea necesario para aplicaciones significativas de las computadoras cuánticas. Por debajo de eso, son mayormente una curiosidad científica y una idea prometedora, pero no mucho más.

La técnica utiliza “pinzas ópticas”, que son láseres especiales capaces de manipular los átomos individualmente. Gracias a los avances en micro‑óptica, esta es la técnica más prometedora en la computación cuántica para un método escalable que permita construir sistemas mucho más grandes.

Fuente: Optica

“Como el número de microlentes por centímetro cuadrado alcanza fácilmente los 100,000 y se pueden producir obleas MLA con áreas de varios cientos de centímetros cuadrados, tienen un enorme potencial en términos de escalabilidad, limitado solo por la potencia láser disponible”

Fuente: Optica

Al perfeccionar el uso de esas pinzas ópticas, el profesor Birkl ha demostrado que se pueden diseñar computadoras cuánticas grandes, con miles de qubits. Esto, a su vez, proporcionará la herramienta esencial que otros investigadores necesitan para realizar cálculos cuánticos.

Simuladores cuánticos para resolver la física

Muchos problemas con los que luchan los físicos hoy en día están vinculados al comportamiento de partículas a escala cuántica, o al menos cuando se simulan más de 30 partículas. Esto es un problema porque los sistemas informáticos ordinarios tienen dificultades con el comportamiento probabilístico de las partículas y la física cuántica en general.

Para resolver este problema, la situación ideal sería desarrollar un “simulador cuántico” donde los qubits puedan simular el comportamiento de partículas cuánticas. Esto se debe a que los qubits utilizan por sí mismos las propiedades cuánticas de entrelazamiento y superposición, que son las partes tan difíciles de simular en una computadora normal.

Si bien los simuladores cuánticos son esencialmente un tipo especial de computadora cuántica, el problema hasta ahora ha sido hacerlos capaces de simular muchas partículas diferentes en lugar de tener que diseñar un simulador cuántico a medida para cada pregunta física específica.

Natalia Chepiga y su grupo de investigación, profesora asistente en la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos, podrían haber encontrado una solución.

Ella propone un protocolo que crea un simulador cuántico totalmente controlable en un artículo científico publicado en Physical Review Letters. Esto funciona usando dos láseres con diferentes frecuencias o colores, añadiendo una dimensión extra al cálculo. Teóricamente, este método podría ampliarse para añadir más de 2 dimensiones al cálculo del simulador cuántico.

Fuente: TU Delft

Este tipo de simulador cuántico podría ser un gran impulso en numerosos esfuerzos de investigación en el límite de nuestro conocimiento actual, incluyendo la física ultra‑fría (incluidos los superconductores), semiconductores, ciencias de materiales, telecomunicaciones y tecnologías energéticas (especialmente baterías).

Qudits en lugar de qubits

La mayoría de los diseños de computación cuántica se centran en los qubits, y en hacerlos más fáciles de manipular/programar y en añadir más de ellos. Una alternativa es usar dígitos cuánticos, o “qudits”.

“Una computadora cuántica con x qubits puede realizar 2^x cálculos. Sin embargo, una máquina con x qudits, donde D representa el número de estados por qudit, puede realizar D^x cálculos.

Esto significa que puedes codificar la misma información en menos partículas cuánticas al usar qudits,”

Martin Ringbauer, físico cuántico en la Universidad de Innsbruck en Austria IEEE Spectrum

En términos más simples, cuantas más dimensiones D tenga un sistema de computación cuántica, más se vuelve exponencialmente potente. Además de este cálculo más eficiente usando qudits en lugar de qubits, se espera que sean más fiables y menos propensos a causar errores de cálculo que los qubits.

Así que es una gran noticia que un equipo de investigadores liderado por Andrea Morello en la UNSW en Australia haya creado un sistema de computación qudit de 16 dimensiones, altamente controlable. Con D=16, cualquier cantidad de qudits añadidos al sistema incrementa la capacidad de cálculo en una potencia de 16.

Para lograr esto, utilizaron un átomo donador de 123Sb (antimonio), que fue implantado iónicamente en un dispositivo nanoelectrónico de silicio.

“El espacio de Hilbert combinado del átomo abarca 16 dimensiones, y puede ser accedido usando tanto campos de control eléctricos como magnéticos. Andrea Morello”

Este sistema logró resultados notables; en particular, “el spin nuclear ya muestra fidelidades de puerta superiores al 99% sin importar el mecanismo de impulso”. El átomo de antimonio también es una mejora respecto al 31P (fósforo) usado anteriormente, ya que el antimonio es un átomo más pesado y más fácil de manipular.

Este logro técnico y científico también sigue mejorando, notablemente usando silicio 28Si purificado isotópicamente, eliminando la concentración residual de 29Si, y mejorando la fiabilidad del sistema (tiempos de coherencia y fidelidades de puerta).

Estado del desarrollo de la computación cuántica

El campo sigue estando en su infancia, con conceptos completamente nuevos emergiendo, como qudits utilizables o simuladores cuánticos programables.

Combinado con el progreso en la creación de sistemas de más de 1,000 qubits, esto muestra que la computación cuántica probablemente será un campo científico muy importante en las próximas décadas, con un tremendo potencial sin explotar.

Actualmente, la investigación en ciencia de materiales o bioquímica está siendo impulsada por la IA, algo que discutimos en nuestro artículo “Disruptive Industries Coalescing Around a Core Technology – Artificial Intelligence (AI)”.

Pero pronto, en los próximos 5‑10 años, podríamos comenzar a ver resultados prácticos de los cálculos de la computación cuántica. El hardware está pasando ahora de experimentos mentales y demostradores de laboratorio a prototipos de computadoras de investigación comercial.

El siguiente paso será desarrollar software que pueda maximizar el potencial de la computación cuántica — y comenzar a producir computadoras cuánticas a escala para reducir costos y proporcionar cierta estandarización.

Así que, en muchos sentidos, la computación cuántica está en la etapa en la que las primeras mainframes comerciales surgieron en los años 50 y 60 antes de convertirse en una herramienta común para negocios e investigación en las décadas siguientes.

Aplicaciones de la computación cuántica

Aunque es difícil predecir con certeza, ya sabemos algunos sectores que se beneficiarán enormemente de la mayor disponibilidad de la computación cuántica:

• Modelado bioquímico: desde determinar la forma 3D de una proteína hasta la expresión génica, el cálculo de moléculas biológicas complejas hasta los átomos podría revolucionar la investigación biotecnológica.
• Modelado climático: Los modelos climáticos son extraordinariamente complejos y estiran los límites de lo que pueden hacer los superordenadores actuales. Una mejor comprensión del clima, con una escala de cálculo más fina en el modelo, tanto geográficamente como temporalmente, podría ayudar a entender los riesgos del cambio climático.
• Semiconductores: Las computadoras cuánticas podrían usarse para hacer que los chips de computadoras normales sean mucho más potentes. Con los chips “normales” alcanzando ahora la escala nanométrica, los fenómenos cuánticos se vuelven cada vez más problemáticos, y podrían necesitarse computadoras cuánticas para resolverlos.
• Ciencia de materiales: Entender mejor la física cuántica y la reacción de los materiales hasta el nivel de átomos individuales puede abrir nuevos diseños para materiales usados en aeroespacial, baterías, impresión 3D, fabricación, etc.
• Criptografía: Las computadoras cuánticas podrían potencialmente volver obsoletos todos los métodos de criptografía actuales. Esto es una preocupación seria para sistemas militares, financieros y de TI. Pero al mismo tiempo, podría hacer la criptografía aún más segura.

Acciones de computación cuántica

1. International Business Machines Corporation

(IBM )

International Business Machines Corporation (IBM) fue la fuerza líder detrás de la comercialización de la primera computadora mainframe. Sin embargo, ha quedado rezagada frente a otros gigantes tecnológicos como Apple, TSMC y NVIDIA.

Sin embargo, está a la vanguardia del desarrollo de computadoras cuánticas. Por ejemplo, desarrolló su computadora cuántica de 127 qubits “Eagle”, que fue seguida por un sistema de 433 qubits conocido como “Osprey”.

Y ahora está seguida por “Condor”, un procesador cuántico superconductivo de 1,121 qubits basado en la tecnología de puerta de resonancia cruzada, junto con “Heron”, un procesador cuántico en el límite del campo.

Finalmente, IBM lanzó Qiskit 1.0 en febrero de 2024, el SDK de computación cuántica más popular, con mejoras en la construcción de circuitos, tiempos de compilación y consumo de memoria comparado con versiones anteriores.

De cara al futuro, IBM ya ha anunciado su próximo gran objetivo en anticipación a que sus chips cuánticos actuales ‘superen’ la infraestructura actualmente utilizada. Este objetivo se conoce como ‘IBM Quantum System Two’; un sistema modular que tiene el potencial de soportar hasta 16,632 qubits.

La fortaleza de IBM siempre ha sido, desde su fundación, desarrollar superordenadores ultra potentes, un segmento del mercado eclipsado por el auge de la electrónica de consumo y los chips estandarizados. La aparición de la computación cuántica es una ocasión para que IBM vuelva a brillar y se convierta en líder en este importante segmento emergente de la computación para la investigación científica y las necesidades de cómputo de grandes corporaciones.

2. Microsoft Corporation

Ya líder en servicios de nube “normales”, Microsoft es pionera en ofrecer servicios de computación cuántica en la nube con Azure Quantum. Es totalmente posible que la mayor parte de la computación cuántica en el futuro sea realizada por investigadores “remotamente”, confiando en servicios en la nube como los de Microsoft, en lugar de acceder directamente a su propia computadora cuántica.

Esto es especialmente probable ya que, en última instancia, la mayoría de las aplicaciones de la computación cuántica serán investigadas por bioquímicos, expertos en ciencia de materiales, científicos climáticos y otros especialistas sin un trasfondo específico en computación cuántica. Por lo tanto, depender de profesionales dedicados que trabajen en empresas como IBM, Microsoft o Google para manejar la parte de cómputo tiene más sentido que contratar o entrenar a personas ajenas al campo.

El servicio también puede ofrecer “computación híbrida”, combinando la computación cuántica con el servicio tradicional de supercomputación basado en la nube.

Fuente: Microsoft

En lugar de la integración vertical, el enfoque de Microsoft hacia la computación cuántica ha sido establecer asociaciones con líderes en el campo que cubren prácticamente todas las tecnologías posibles para lograr la computación cuántica, como IonQ (IONQ), Pasqal, Quantinuum, QCI (QUBT), y Rigetti (RGTI).

Fuente: Microsoft

La computación cuántica no es central para el negocio de Microsoft, al menos por ahora. Sin embargo, es un actor central del sector y podría ser una opción de inversión “más segura” frente a adquirir directamente acciones de sus socios de computación cuántica que cotizan en bolsa, como QCI o Rigetti.

3. Alphabet Inc.

Google está muy activo en la computación cuántica, principalmente a través de su laboratorio Google Quantum AI y el campus Quantum AI en Santa Bárbara.

La computadora cuántica de Google hizo historia en 2019 cuando Google afirmó haber alcanzado la “supremacía cuántica” con su máquina Sycamore, realizando un cálculo en 200 segundos que habría tomado a una supercomputadora convencional 10,000 años.

Pero tal vez la mayor contribución de Google será en el software, una actividad donde tiene un historial mucho mejor que en hardware (búsqueda, G Suite, Android, etc.). Ya, el Quantum AI de Google pone a disposición un conjunto de software diseñado para ayudar a los científicos a desarrollar algoritmos cuánticos.

Google probablemente será una de las compañías que establezcan los estándares del software y la programación de la computación cuántica, otorgando un lugar privilegiado para dirigir la evolución futura del campo.

4. Quantinuum / Honeywell

Quantinuum es el resultado de la fusión de Honeywell Quantum Solutions y Cambridge Quantum (y, como se mencionó, socio de la computación cuántica en la nube de Microsoft).

Quantinuum parece, por ahora, enfocarse en segmentos menos explorados por otros sistemas de computación cuántica, notablemente análisis financieros y de cadena de suministro, a través de su motor Quantum Monte Carlo Integration (QMCI), lanzado en septiembre de 2023.

“QMCI se aplica a problemas que no tienen solución analítica, como la valoración de derivados financieros o la simulación de resultados de experimentos de física de partículas de alta energía, y promete avances computacionales en negocios, energía, logística de cadena de suministro y otros sectores.”

Al igual que para Microsoft, la computación cuántica no es la parte central del negocio de Honeywell, que está más centrado en productos aeroespaciales, automatización y productos químicos y materiales especializados.

Sin embargo, considerando que cada uno de estos segmentos de negocio podría beneficiarse de la computación cuántica, no es difícil ver el caso de negocio para que Honeywell se involucre.

Así, esto convierte a Honeywell tanto en un proveedor de servicios de computación cuántica como en una de las compañías que podrían beneficiarse de la aplicación de computadoras cuánticas a casos de negocio reales, algo que la integración de Quantinuum en el grupo debería ayudar a fomentar a un ritmo más rápido que sus competidores industriales.

5. Intel

Intel es un importante productor de chips y parece apuntar a aprovechar esta fortaleza en el ámbito de la computación cuántica.

Recientemente lanzó “Tunnel Falls”, el “chip de qubit de espín de silicio más avanzado”. Lo notable es que no es un prototipo sino un chip construido a escala, con una tasa de rendimiento del 95 % en todo el wafer y uniformidad de voltaje. Esto abre el camino a la producción masiva de chips de computación cuántica, algo que por ahora es esquivo en una industria naciente y rápidamente cambiante.

Fuente: Intel

Fiel a sus raíces, Intel también está desarrollando el software para utilizar sus chips, con el lanzamiento del Intel Quantum SDK. Esto proporciona la guía para que los programadores desarrollen software para la computación cuántica compatible con el diseño de chip cuántico de Intel, que históricamente ha sido una fortaleza y un foso rentable para el negocio de chips convencional de Intel.

Fuente: Intel

La llegada de la fabricación escalable de chips cuánticos podría ser tan revolucionaria para la industria como cualquier otro gran avance científico‑técnico, reduciendo costos y estableciendo estándares comunes de programación y arquitecturas de chips.

Intel es una empresa que, por experiencia, sabe cuán fuerte puede ser esta fuerza en la industria de la computación, aún aprovechando el legado de sus innovaciones y patentes asociadas desde la década de 1960 en adelante.

6. Defiance Quantum ETF

El sector de la computación cuántica sigue siendo muy joven. Hasta ahora ha sido mayormente tomado por grandes corporaciones tecnológicas con bolsillos lo suficientemente profundos como para financiar miles de millones de dólares en este tipo de investigación fundamental.

Sin embargo, muchas otras empresas más pequeñas también están activas en el campo, algunas asociándose con dichos gigantes para desplegar su tecnología.

Puede ser una tarea bastante difícil para los inversores no especializados entender la complejidad de las diferentes tecnologías de computación cuántica, y aún más adivinar cuál será comercialmente exitosa.

Así que, aunque la inversión directa en pequeñas startups de computación cuántica es una opción, otra es confiar en un ETF para obtener exposición al sector mientras se diversifica a menor costo.

El Defiance Quantum ETF contiene 69 diferentes acciones relacionadas con la computación cuántica en sus participaciones, incluidos desarrolladores de computadoras y chips cuánticos, así como proveedores de sistemas de refrigeración, láseres, software y otras tecnologías usadas en computadoras cuánticas o en la producción de chips cuánticos.

Fuente: Defiance ETF

En este campo que evoluciona rápidamente, la mayoría de los inversores, incluso aquellos familiarizados con la industria de semiconductores, probablemente se beneficiarán de un grado de diversificación. Esto puede lograrse ya sea apostando por gigantes tecnológicos individuales que tomen las decisiones de asociación correctas o con una amplia gama de acciones, algo que a menudo se logra de manera más eficiente a través de un ETF dedicado.