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 informáticos normales basados ​​en semiconductores. En lugar de generar 0 y 1 (sin corriente ni corriente), utiliza "bits cuánticos", llamados qubits, donde los datos de las partículas son 0 Y 1 a la vez, 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” sino más bien un complemento.

La informática estándar funciona de forma lineal y tiene dificultades con cálculos muy complejos, como el modelado climático, 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 destaque la computación cuántica.

Entonces, si bien es probable que nuestras computadoras portátiles y teléfonos inteligentes nunca sean computadoras cuánticas, podrían revolucionar la investigación científica.

La computación cuántica es difícil

Entonces, con la promesa de que las supercomputadoras cuánticas funcionarán mil veces mejor que las existentes, no sorprende que se hayan realizado muchas investigaciones para convertirlas en realidad.

Pero el problema es que crear incluso un qubit es técnicamente muy difícil. La primera dificultad es que la computación cuántica sólo funciona a temperaturas ultrabajas, alrededor de cien grados por encima del cero absoluto. Sólo en estas condiciones algunos materiales únicos se convierten en superconductores (materiales sin resistencia eléctrica). Esto consume mucha energía, es caro y difícil de lograr.

Y luego, lograr controlar, manipular y “leer” los datos en un qubit también es complejo, y generalmente involucra láseres, microscopios atómicos y sensores ultraprecisos. Por último, cualquier interferencia inutilizará el qubit, por lo que también es necesario lograr un vacío perfecto.

Mientras que los chips semiconductores manipulan la materia a escalas de tan solo unos pocos átomos, la computación cuántica busca manejar la materia a escala de partículas. Cabe destacar que una computadora cuántica práctica requerirá miles de cúbits para mantenerse estable e interactuar entre sí.

La computación cuántica avanza

Cruzando el umbral de los 1,000 Qubits

Un equipo dirigido por el profesor Gerhard Birkl del “Átomos – Fotones – Cuantos”grupo de investigación del Departamento de Física de TU Darmstadt en Alemania acaba de crear la computadora cuántica más grande hasta el momento.

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

Fuente: óptica

La marca de 1,000 es en parte simbólica, pero también es aproximadamente la cantidad que se espera que sea necesaria para una aplicación significativa de las computadoras cuánticas. Menos que eso, son sobre todo 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 microóptica, esta es la técnica más prometedora en computación cuántica como método escalable para construir sistemas mucho más grandes.

Fuente: óptica

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

Fuente: óptica

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

Simuladores cuánticos para resolver la física

Muchos de los problemas con los que luchan los físicos hoy en día están relacionados con el comportamiento de las partículas a escala cuántica, o al menos tan pronto como se simulan más de 30 partículas. Este es un problema mientras los sistemas informáticos 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 pueden simular el comportamiento de las partículas cuánticas. Esto se debe a que los qubits utilizan por sí mismos las propiedades cuánticas de enredo y superposición, cuáles son las partes más 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 lograr que sean capaces de 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, profesor asistente en Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos, podría haber encontrado una solución.

Propone un protocolo que crea un simulador cuántico totalmente controlable en un entorno científico. artículo publicado en Physical Review Letters. Esto funciona mediante el uso de dos láseres con diferentes frecuencias o colores, añadiendo una dimensión extra al cálculo. En teoría, este método podría ampliarse para agregar más de 2 dimensiones al cálculo del simulador cuántico.

Fuente: TU Delft

Este tipo de simulador cuántico podría ser un gran impulso para muchos esfuerzos de investigación en el borde mismo de nuestro conocimiento actual, incluida la física ultrafría (incluidos los superconductores), los semiconductores, las ciencias de los materiales, las telecomunicaciones y las tecnologías energéticas (especialmente las baterías).

QuDits en lugar de QuBits

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

“Una computadora cuántica con x qubits puede realizar 2^x cálculos. Sin embargo, una máquina con x número de qudits, donde D 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”.

Martín Ringbauer, físico cuántico de la Universidad de Innsbruck en Austria en Espectro IEEE

En términos más simples, cuantas más dimensiones D tiene un sistema de computación cuántica, más exponencialmente se vuelve poderoso. Además de este cálculo 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.

Entonces es una gran noticia que un equipo de investigadores dirigido por Andrea Morello en el USNO en Australia ha creado un sistema informático qudit de 16 dimensiones y altamente controlable. Con D=16, cualquier cantidad de qudits agregada al sistema aumenta la capacidad de cálculo en una potencia de 16.

Para lograrlo, utilizaron un átomo donador de 123Sb (antimonio), que fue implantado con iones en un dispositivo nanoelectrónico de silicio.

“El espacio de Hilbert combinado del átomo abarca 16 dimensiones y se puede acceder a él mediante campos de control eléctricos y magnéticos. Andrea Morello"

Este sistema logró resultados notables; En particular, "el giro nuclear ya muestra fidelidades de puerta superiores al 99%, independientemente del mecanismo de accionamiento". El átomo de antimonio también es una mejora con respecto al 31P (fósforo) utilizado anteriormente, ya que el antimonio es un átomo más pesado y más fácil de manipular.

Este logro técnico y científico también se está mejorando aún más, en particular utilizando 28Si (silicio) 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 está todavía en sus inicios y todavía están surgiendo conceptos completamente nuevos, como qudits utilizables o simuladores cuánticos programables.

Combinado con el progreso en la creación de más de 1,000 sistemas qubit, 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 se está viendo impulsada por la IA, algo que comentamos en nuestro artículo”Industrias disruptivas que se fusionan en torno a una tecnología central: la inteligencia artificial (IA)."

Pero pronto, en los próximos 5 a 10 años, podríamos empezar 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 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 reducir los costos y proporcionar cierta estandarización.

Entonces, en muchos sentidos, la computación cuántica se encuentra en la etapa en la que aparecieron las primeras computadoras centrales comerciales en las décadas de 1950 y 1960, antes de convertirse en una herramienta comercial y de investigación común en las décadas siguientes.

Aplicaciones de computación cuántica

Si bien es difícil predecirlo por completo, ya conocemos algunos segmentos que se beneficiarán enormemente de la mayor disponibilidad de la computación cuántica:

• Modelado bioquímico: desde la determinación de la forma tridimensional de una proteína hasta la expresión genética, el cálculo de moléculas biológicas complejas hasta los átomos podría revolucionar la investigación biotecnológica.
• Modelado climático: Los modelos climáticos son extraordinariamente complejos y amplían los límites de lo que pueden hacer las supercomputadoras actuales. Una mejor comprensión del clima, con una escala de cálculo más precisa en el modelo, tanto geográficamente como en el tiempo, 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. Ahora que los chips “normales” alcanzan la escala nanométrica, los fenómenos cuánticos se vuelven cada vez más problemáticos y podrían ser necesarias computadoras cuánticas para resolverlos.
• Ciencia material: Comprender mejor la física cuántica y la reacción de los materiales hasta formar átomos individuales puede abrir nuevos diseños para materiales utilizados en la industria aeroespacial, baterías, impresión 3D, fabricación, etc.
• Criptografía: Las computadoras cuánticas podrían potencialmente hacer obsoletos todos los métodos de criptografía actuales. Esta es una seria preocupación para los sistemas militares, financieros y de TI. Pero al mismo tiempo, podría hacer que la criptografía sea 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 central. Sin embargo, se ha quedado atrás de otros gigantes tecnológicos como Apple, TSMC y NVIDIA.

Sin embargo, está a la vanguardia del desarrollo de ordenadores cuánticos. Por ejemplo, desarrolló su computadora cuántica “Eagle” de 127 qubits, a la que siguió un sistema de 433 qubits conocido como “Osprey”.

Y esto es ahora seguido de “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 mismo 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.

De cara al futuro, IBM ya ha anunciado su próximo gran objetivo, anticipando que sus chips cuánticos actuales superarán la infraestructura utilizada. Este objetivo se conoce como «IBM Quantum System Two», un sistema modular con potencial para soportar hasta 16,632 cúbits.

Desde sus inicios, la fortaleza de IBM siempre ha residido en el desarrollo de supercomputadoras ultrapotentes, un segmento del mercado eclipsado por el auge de la electrónica de consumo y los chips estandarizados. El surgimiento de la computación cuántica brinda a IBM la oportunidad de brillar de nuevo y convertirse en líder en este importante segmento emergente de la computación para la investigación científica y las necesidades informáticas de las grandes corporaciones.

2. Microsoft Corporation

Microsoft, que ya es líder en servicios en la nube "normales", es pionero en ofrecer servicios en la nube de computación cuántica con Azul cuánticoEs muy posible que la mayor parte de la computación cuántica en el futuro la realicen investigadores de forma remota, recurriendo a servicios en la nube como los de Microsoft, en lugar de acceder directamente a su propia computadora cuántica.

Esto es especialmente probable porque, en última instancia, la mayoría de las aplicaciones de la computación cuántica serán investigadas por bioquímicos, expertos en ciencias de materiales, científicos del clima y otros especialistas sin experiencia específica en computación cuántica. Por lo tanto, depender de profesionales dedicados que trabajan en empresas como IBM, Microsoft o Google para manejar la parte informática tiene más sentido que contratar o capacitar a personas ajenas al campo.

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

Fuente: Microsoft

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

Fuente: Microsoft

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

3. Alphabet Inc.

Google es muy activo en la computación cuántica, principalmente a través de su laboratorio Google Quantum AI y su campus Quantum AI 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 a una supercomputadora convencional le habría llevado 10,000 años.

Pero quizás la mayor contribución de Google sea en el ámbito del software, una actividad en la que tiene un historial mucho mejor que en el del hardware (búsqueda, GSuit, Android, etc.). La IA cuántica de Google ya ofrece un conjunto de software diseñado para ayudar a los científicos a desarrollar algoritmos cuánticos.

Es probable que Google sea una de las empresas que establezca los estándares de software y programación de computación cuántica, brindando un lugar privilegiado para dirigir 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, socio de la computación en la nube cuántica de Microsoft).

Quantinuum parece, por ahora, centrarse en segmentos menos explorados por otros sistemas de computación cuántica, en particular los análisis financieros y relacionados con la 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 fijación de precios de derivados financieros o la simulación de los resultados de experimentos de física de partículas de alta energía, y promete avances computacionales en los sectores empresarial, energético, logístico de la cadena de suministro y otros sectores.

Al igual que para Microsoft, la computación cuántica no es la parte central del negocio de Honeywell, sino que se centra más en productos del sector aeroespacial, la automatización y los materiales y productos químicos especiales.

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

Esto convierte a Honeywell en un proveedor de servicios de computación cuántica y en una de las empresas que podrían beneficiarse de la aplicación de computadoras cuánticas a casos de negocios de la vida real, algo que la integración de Quantinuum en el grupo debería ayudar a fomentar a un ritmo más rápido que su industria. competidores.

5. Intel

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

Recientemente se lanzó “Cataratas del Túnel”, el “ El chip qubit de giro de silicio más avanzado". Lo destacable es que no se trata de un prototipo sino de un chip construido a escala, con una tasa de rendimiento del 95% en toda la oblea y uniformidad de voltaje. Esto abre el camino a la producción en masa de chips de computación cuántica, algo por ahora difícil de alcanzar en una industria incipiente y que cambia rápidamente.

Fuente: Intel

Fiel a sus raíces, Intel también está desarrollando el software para utilizar sus chips, con el lanzamiento del SDK Intel cuánticoEsto proporciona una guía para que los programadores desarrollen software para computación cuántica compatible con el diseño de chips cuánticos de Intel, que históricamente ha sido una ventaja comercial muy sólida 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, reduciendo costos y estableciendo estándares de programación y arquitecturas de chips comunes.

Intel es una empresa que sabe por experiencia cuán poderosa puede ser esta fuerza en la industria informática, y que aún sigue a la cola de sus innovaciones y patentes asociadas desde la década de 1960 en adelante.

6. ETF de Defiance Quantum

El sector de la computación cuántica es todavía muy joven. Hasta ahora, ha sido absorbida en su mayor parte 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 este campo, y algunas se asocian con dichos gigantes para implementar su tecnología.

Puede ser una tarea bastante difícil para los inversores no especializados comprender la complejidad de las diferentes tecnologías de computación cuántica, y más aún adivinar cuál tendrá éxito comercial.

Entonces, si bien la inversión directa en pequeñas empresas emergentes de computación cuántica es una opción, otra es confiar en un ETF para obtener exposición al sector y al mismo tiempo diversificarse a un costo menor.

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

Fuente: ETF de desafío

En este campo en rápida evolución, la mayoría de los inversores, incluso aquellos familiarizados con la industria de los semiconductores, probablemente se beneficiarán de cierto grado de diversificación. Por lo tanto, esto se puede lograr apostando a que gigantes tecnológicos individuales 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.