El Estado Actual de la Computación Cuántica

La Computación Cuántica es Diferente

La computación cuántica es la idea de utilizar la física cuántica para realizar cálculos, lo que difiere de los métodos de computación basados en semiconductores normales. En lugar de generar 0 y 1 (no hay corriente o corriente), utiliza “bits cuánticos”, llamados qubits, donde los datos de las partículas son 0 y 1 al mismo tiempo, o 1, o 0.

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

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

Así, mientras que es probable que nuestros portátiles y teléfonos inteligentes nunca sean computadoras cuánticas, podrían revolucionar la investigación científica.

La Computación Cuántica es Difícil

Así, con la promesa de que los supercomputadores cuánticos realizarán cálculos mil veces mejores que los existentes, no es de extrañar que se haya realizado mucha investigación para hacerlos una realidad.

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

Y luego, controlar, manipular y “leer” los datos en un qubit también es complejo, generalmente involucra láseres ultra-precisos, microscopios atómicos y sensores. Finalmente, cualquier interferencia hará que el qubit sea inútil, por lo que se necesita lograr un vacío perfecto.

Mientras que los chips de semiconductores manipulan la materia a escalas que miden solo unos pocos átomos, la computación cuántica busca manejar la materia a escala de partículas. Notablemente, un computador cuántico práctico requerirá miles de qubits para mantener la estabilidad y interactuar entre sí.

La Computación Cuántica Avanza

Cruzando el Umbral de los 1.000 Qubits

Un equipo dirigido por el profesor Gerhard Birkl del grupo de investigación “Átomos – Fotones – Cuántica” en el Departamento de Física de la TU Darmstadt en Alemania acaba de crear el computador cuántico más grande hasta ahora.

Han creado un computador cuántico con 1.000 qubits atómicos individuales controlables, ganando una carrera en el campo contra muchos otros equipos científicos.

Fuente: Optica

La marca de los 1.000 es parcialmente simbólica, pero también alrededor del número esperado para ser requerido para una aplicación significativa de computadoras cuánticas. Menos que eso, son principalmente 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 al progreso en micro-óptica, esta es la técnica más prometedora en computación cuántica para un método escalable para construir sistemas mucho más grandes.

Fuente: Optica

“Como el número de lentes por centímetro cuadrado alcanza fácilmente 100.000 y las obleas MLA con áreas de varios cientos de centímetros cuadrados se pueden producir, tienen un enorme potencial en términos de escalabilidad, solo limitado por la potencia del láser disponible”
Optica

Al perfeccionar el uso de dichas pinzas ópticas, el Prof. Birkl ha demostrado que los grandes computadores cuánticos, con miles de qubits, pueden ser diseñados. Esto, a su vez, proporcionará la herramienta esencial que otros investigadores necesitan para realizar cálculos cuánticos.

Simuladores Cuánticos para Resolver Física

Muchos problemas con los que luchan los físicos hoy en día están relacionados con el comportamiento de partículas a escala cuántica, o al menos tan pronto como se simulan más de 30 partículas. Esto es un problema porque los sistemas de computación ordinarios luchan 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 las propiedades cuánticas de entrelazamiento y superposición, que son las partes más difíciles de simular en una computadora normal.

Mientras que los simuladores cuánticos son esencialmente un tipo especial de computadora cuántica, el problema hasta ahora ha sido hacer que puedan simular muchas partículas diferentes en lugar de tener que diseñar un simulador cuántico personalizado para cada pregunta física específica.

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

Propone un protocolo que crea un simulador cuántico completamente controlable en un artículo científico publicado en Physical Review Letters. Esto funciona utilizando dos láseres con frecuencias o colores diferentes, agregando una dimensión adicional al cálculo. Teóricamente, este método podría expandirse para agregar más de 2 dimensiones al cálculo del simulador cuántico.

Fuente: TU Delft

Este tipo de simulador cuántico podría ser un gran impulso en muchos esfuerzos de investigación en el borde de nuestro conocimiento actual, incluyendo física ultra-fría (incluyendo superconductores), semiconductores, ciencia de materiales, telecomunicaciones y tecnologías de energía (especialmente baterías).

QuDits en lugar de Qubits

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

“Un computador cuántico con x qubits puede realizar 2^x cálculos. Sin embargo, una máquina con x número de qudits, con D que representa el número de estados por qudit, puede realizar D^x número de cálculos.

Esto significa que puedes codificar la misma información en menos partículas cuánticas cuando usas qudits,”

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

En términos más simples, cuanto más dimensiones D tenga un sistema de computación cuántica, más se vuelve exponencialmente poderoso. Además de esta calculación más eficiente utilizando qudits en lugar de qubits, se espera que sean más confiables 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 USNW en Australia ha creado un sistema de computación qudit de 16 dimensiones, altamente controlable. Con D = 16, cualquier cantidad de qudits agregados al sistema aumenta la capacidad de cálculo por una potencia de 16.

Para lograr esto, utilizaron un átomo donador de antimonio 123Sb, que se implantó en un dispositivo nanoelectrónico de silicio.

“El espacio de Hilbert combinado del átomo abarca 16 dimensiones y se puede acceder utilizando campos de control eléctrico y magnético. Andrea Morello”

Este sistema logró resultados notables; notablemente, “la rotación nuclear ya muestra fidelidades de puerta que superan el 99% independientemente del mecanismo de accionamiento”. El átomo de antimonio también es una mejora sobre el fósforo 31P utilizado anteriormente, ya que el antimonio es un átomo más pesado y es más fácil de manipular.

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

Estado del Desarrollo de la Computación Cuántica

El campo todavía está en su infancia, con conceptos completamente nuevos que aún están surgiendo, como qudits utilizables o simuladores cuánticos programables.

Combinado con el progreso en la creación de sistemas de 1.000+ qubits, esto muestra que la computación cuántica probablemente será un campo científico muy importante en las próximas décadas, con un potencial tremendo sin explotar.

Actualmente, la investigación en ciencia de materiales o bioquímica está siendo impulsada por la IA, algo que discutimos en nuestro artículo “Industrias Disruptivas que se Reúnen alrededor de una Tecnología Central – Inteligencia Artificial (IA).”

Pero pronto, en los próximos 5-10 años, podríamos comenzar a ver resultados prácticos de cálculos de computación cuántica. El hardware ahora se está moviendo desde experimentos de pensamiento y demostradores de laboratorio a prototipos de computadoras de investigación comerciales.

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

Así que, de muchas maneras, la computación cuántica está en la etapa en la que los primeros mainframes comerciales salieron en la década de 1950 y 1960 antes de convertirse en una herramienta de investigación y negocio común en las décadas siguientes.

Aplicaciones de la Computación Cuántica

Aunque es difícil predecir completamente, ya sabemos algunos segmentos que se beneficiarán enormemente de que la computación cuántica se vuelva más accesible:

• Modelado Bioquímico: desde determinar la forma 3D de una proteína hasta la expresión génica, el cálculo de moléculas biológicas complejas a nivel atómico podría revolucionar la investigación biotecnológica.
• Modelado Climático: Los modelos climáticos son extraordinariamente complejos y estiran los límites de lo que los supercomputadores actuales pueden hacer. Una mejor comprensión del clima, con una escala de cálculo más fina en el modelo, tanto geográfica como temporal, podría ayudar a comprender los riesgos del cambio climático.
• Semiconductores: Las computadoras cuánticas podrían usarse para hacer que los chips de computadora normales sean mucho más potentes. Con los chips “normales” que ahora alcanzan la escala nanométrica, los fenómenos cuánticos se vuelven cada vez más problemáticos, y las computadoras cuánticas podrían ser necesarias para resolverlos.
• Ciencia de Materiales: Comprender mejor la física cuántica y la reacción de los materiales a nivel atómico puede abrir nuevos diseños para materiales utilizados en la industria aeroespacial, baterías, impresión 3D, fabricación, etc.
• Criptografía: Las computadoras cuánticas podrían potencialmente hacer que todos los métodos de criptografía actuales sean obsoletos. Esto es una preocupación seria para los sistemas militares, financieros e informáticos. Pero al mismo tiempo, podría hacer que la criptografía sea aún más segura.

Acciones de Computación Cuántica

1. International Business Machines Corporation

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

Está, sin embargo, 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 esto ahora se sigue con “Condor”, un procesador cuántico superconductor de 1.121 qubits basado en tecnología de puerta de resonancia cruzada, junto con “Heron”, un procesador cuántico en el borde 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 en comparación con versiones anteriores.

Mirando hacia adelante, IBM ya ha anunciado su próximo objetivo importante en anticipación de que sus chips cuánticos actuales “superen” la infraestructura actualmente utilizada. Este objetivo se conoce como “Sistema Cuántico de IBM Dos”; un sistema modular que tiene el potencial de soportar hasta 16.632 qubits.

La fuerza de IBM siempre ha sido, desde su creación, desarrollar supercomputadoras ultra-potentes, un segmento del mercado que ha sido eclipsado por el auge de la electrónica de consumo y los chips estandarizados. La emergencia de la computación cuántica es una oportunidad para que IBM brille de nuevo y se convierta en un líder en este segmento de computación importante para la investigación científica y las necesidades de computación de grandes corporaciones.

2. Microsoft Corporation

Ya es líder en servicios de nube “normales”, Microsoft es un pionero en ofrecer servicios de computación cuántica en la nube con Azure Quantum. Es completamente posible que la mayoría de la computación cuántica en el futuro se realice por investigadores “de forma remota”, confiando en servicios de nube como los de Microsoft, en lugar de tener acceso directo a su propia computadora cuántica.

Esto es especialmente probable, ya que, en última instancia, la mayoría de las aplicaciones de computación cuántica serán investigadas por bioquímicos, expertos en ciencia de materiales, científicos climáticos y otros especialistas sin experiencia específica en computación cuántica. Así que confiar en profesionales dedicados que trabajan en empresas como IBM, Microsoft o Google para manejar la parte de la computación tiene más sentido que contratar o capacitar a personas ajenas al campo.

El servicio también puede ofrecer “computación híbrida”, mezclando la computación cuántica con el servicio de supercomputadora en la nube tradicional.

Fuente: Microsoft

En lugar de la integración vertical, el enfoque de Microsoft para la computación cuántica ha sido establecer asociaciones con líderes en el campo que cubren virtualmente 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. Es, sin embargo, un actor central del sector y podría ser una opción de acciones más “segura” que adquirir 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 de IA cuántica de Google y el campus de IA cuántica en Santa Bárbara.

La computadora cuántica de Google hizo historia en 2019 cuando Google afirmó haber logrado la “supremacía cuántica” con su máquina Sycamore, realizando un cálculo en 200 segundos que habría tomado a una supercomputadora convencional 10.000 años.

Pero quizás la mayor contribución de Google será en software, una actividad en la que tiene un mejor historial que en hardware (búsqueda, GSuit, Android, etc.). Ya, el Quantum AI de Google pone a disposición una suite de software diseñada para ayudar a los científicos a desarrollar algoritmos cuánticos.

Google podría ser una de las empresas que establezca los estándares de software y programación de computación cuántica, lo que le dará un lugar privilegiado para determinar hacia dónde evolucionará el campo en el futuro.

4. Quantinuum / Honeywell

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

Quantinuum parece, por ahora, centrarse en segmentos menos explorados por otros sistemas de computación cuántica, notablemente análisis relacionados con finanzas y cadena de suministro, a través de su motor de integración de Monte Carlo cuántico (QMCI), lanzado en septiembre de 2023.

QMCI se aplica a problemas que no tienen solución analítica, como el precio 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 con Microsoft, la computación cuántica no es la parte central del negocio de Honeywell, más centrado en productos en la industria aeroespacial, automatización y materiales y productos especiales.

Sin embargo, considerando que cada uno de estos segmentos de negocio podría beneficiarse de la aplicación de computadoras cuánticas a casos de negocio reales, no es difícil ver el caso de negocio para que Honeywell se involucre.

Así que esto hace que Honeywell sea tanto un proveedor de servicios de computación cuántica como una de las empresas que podría 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 el de sus competidores industriales.

5. Intel

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

Recientemente lanzó “Tunnel Falls”, el chip de qubit de spin de silicio más avanzado. Lo que es 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 en masa de chips de computación cuántica, algo que hasta ahora ha sido esquivo en una industria naciente y en rápida evolución.

Fuente: Intel

Fiels a sus raíces, Intel también está desarrollando el software para utilizar sus chips, con el lanzamiento del SDK de Quantum de Intel. Esto proporciona las pautas para que los programadores desarrollen software para computación cuántica compatible con el diseño de chips cuánticos de Intel, lo que ha sido históricamente un negocio muy fuerte y rentable para el negocio de chips convencionales de Intel.

Fuente: Intel

La llegada de la fabricación de chips cuánticos escalables podría ser tan revolucionaria para la industria como cualquier otro avance científico más técnico, lo que reduce los costos y establece estándares de programación y arquitectura de chips comunes.

Intel es una empresa que sabe por experiencia cómo puede ser una fuerza en la industria de la computación, todavía montada en la cola de sus innovaciones y patentes asociadas desde la década de 1960 en adelante.

6. Defiance Quantum ETF

El sector de la computación cuántica todavía es muy joven. Ha sido hasta ahora principalmente 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, incluso más adivinar cuál será comercialmente exitosa.

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

El Defiance Quantum ETF contiene 69 diferentes acciones relacionadas con la computación cuántica en sus tenencias, incluyendo desarrolladores de computadoras y chips cuánticos, así como proveedores de sistemas de enfriamiento, láseres, software y otras tecnologías utilizadas en computadoras o producción de chips cuánticos.

Fuente: Defiance ETF

En este campo en rápida evolución, la mayoría de los inversores, incluso aquellos familiarizados con la industria de semiconductores, probablemente se beneficiarán de un grado de diversificación. Así que esto se puede lograr apostando por gigantes tecnológicos que toman 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.