Los ordenadores cuánticos pueden resolver problemas que a los ordenadores clásicos les llevaría billones de años. La mayoría de los diseños de ordenadores cuánticos dependen de la refrigeración del hardware a temperaturas extremas muy por debajo de -200 grados Celsius. Sin embargo, en los últimos años la tecnología para la computación cuántica de sobremesa ha empezado a avanzar.
Claudio Maldonado
Los ordenadores cuánticos molan
Los ordenadores cuánticos son geniales: explotan los fenómenos subatómicos de superposición y entrelazamiento. Crear bits de información, 1s y 0s, a escala cuántica supone una ventaja exponencial en potencia de cálculo. Sin embargo, los sistemas cuánticos son notoriamente susceptibles al ruido. Múltiples fuentes de ruido pueden reducir la precisión de un cálculo o incluso destruir por completo la información cuántica.
Una de las fuentes de ruido más difíciles de superar es el ruido térmico. Para evitarlo, muchos equipos se enfrían a temperaturas ultrafrías. Por ejemplo, los ordenadores cuánticos superconductores requieren bombas de vacío y criostatos especiales. Estos equipos son caros, dependen del helio y necesitan mucho espacio, agua y energía.
Hasta la fecha, la infraestructura necesaria para refrigerar los ordenadores cuánticos ha supuesto una barrera para llevar los ordenadores cuánticos a nuestros escritorios. Sin embargo, están surgiendo nuevos enfoques de la informática cuántica, como los diseños fotónicos y con defectos de diamante. La posibilidad de que estas tecnologías funcionen a temperatura ambiente podría mejorar significativamente la accesibilidad a la computación cuántica y, en última instancia, dar lugar a un mercado más amplio.
Nelson Salazar
Los qubits fotónicos pueden sobrevivir a temperaturas cálidas
La informática cuántica de plataforma fotónica utiliza la luz para formar qubits. Puede utilizar el estado de fotones individuales (polarización/apretado) o los estados cuánticos de haces de fotones (qumodes). Los fotones son, por naturaleza, más resistentes al ruido térmico, y muchas empresas están produciendo procesadores cuánticos fotónicos en fase inicial que no necesitan refrigeración, como QuiX. Aunque el hardware fotónico escalable y versátil para la computación cuántica aún está lejos, ya se han realizado algunos dispositivos para aplicaciones específicas. Por ejemplo, las máquinas de ORCA, capaces de muestrear bosones en el bin temporal, son idóneas para el aprendizaje automático y el modelado generativo.
Sin embargo, la fotónica no es una aproximación a la computación cuántica exenta de desafíos. En algunos casos, la detección de fotones para leer la solución de un algoritmo cuántico sigue dependiendo de sensores superfríos. En otras palabras, los qubits pueden estar a temperatura ambiente, pero la tecnología para detectarlos no. Además, las fuentes de luz entrelazada necesarias para los sistemas más avanzados requieren más desarrollo: por ejemplo, puntos cuánticos especializados o nanoestructuras semiconductoras. Además, aunque los fotones se ven menos afectados por las temperaturas cálidas, siguen siendo propensos a escaparse de las guías de ondas.
Dicho esto, la inversión en computación cuántica fotónica va en aumento, superando los 500 millones de dólares en 2022. Se están abordando muchos de los requisitos de mejores fuentes de fotones y arquitecturas menos ruidosas, y hay mucho optimismo en que sea posible una computación cuántica escalable y versátil con este método. Este sector pretende aprovechar el uso actual de la fibra óptica para las comunicaciones de alta velocidad y el creciente interés gubernamental por la fotónica para la criptografía y la ciberseguridad.
Los entramados de diamante protegen naturalmente a los qubits del ruido
El diamante de ingeniería se identificó históricamente por sus aplicaciones en detección cuántica, pero en los últimos años la investigación ha evolucionado hacia la computación cuántica a temperatura ambiente e incluso de sobremesa. Los diamantes con un defecto específico pueden formar sistemas cuánticos de dos estados y, por tanto, qubits. Por ejemplo, los centros de vacantes de nitrógeno (NV) tienen estados de espín que pueden utilizarse para representar 1s y 0s. La frecuencia de emisión estimulada de los centros NV depende de este estado de espín, por lo que pueden utilizarse microscopios de fluorescencia convencionales para leer los resultados de los algoritmos. Dado que estos qubits están aislados de forma natural de las fuentes de ruido del entorno por las redes de átomos de carbono de los diamantes, son buenos candidatos para la computación cuántica a temperatura ambiente.
De hecho, varias empresas ya venden ordenadores cuánticos con defectos de diamante del tamaño de un ordenador de sobremesa. Centros de supercomputación y empresas aeroespaciales han invertido en tecnología de defectos de diamante de empresas como Quantum Brilliance y XeedQ. Sin embargo, el número de qubits demostrados utilizando defectos de diamante sigue siendo de un solo dígito. Todo el mundo está de acuerdo en que, para ofrecer el máximo valor comercial y satisfacer las necesidades de las técnicas de corrección de errores, se necesitan miles, si no millones, de qubits. Algunos desarrolladores tienen previsto demostrar cientos de qubits con defecto de diamante en los próximos años, pero aún queda mucho por investigar, sobre todo en lo que respecta a la optimización de los procesos de fabricación de diamantes de ingeniería.
Publicidad y realidad
Aunque la creación de ordenadores cuánticos de sobremesa a temperatura ambiente es teóricamente posible, en la actualidad la mayoría de los desarrolladores de hardware de computación cuántica se centran en proporcionar sistemas para aplicaciones industriales, incluidos los sectores aeroespacial, financiero y químico. Entre ellos se encuentran muchos de los líderes en computación cuántica fotónica y con defectos de diamante. Hay acuerdo general en que los problemas de mayor valor que resolverán primero los ordenadores cuánticos se lograrán mediante modelos de acceso a la nube.
Sin embargo, no hay que descartar un futuro con soluciones a temperatura ambiente para el mercado de masas; la tecnología fotónica se presentó incluso en el CES de este año. Hay muchos más usuarios potenciales fuera del sector farmacéutico y aeroespacial que podrían beneficiarse de una solución asequible y móvil, sobre todo para edge-AI, procesamiento de imágenes y optimización logística en tiempo real. Los fabricantes de vehículos autónomos y las cadenas de supermercados ya están explorando este espacio de aplicaciones cuánticas. Incluso hay demanda de computación de alto rendimiento en el duro entorno del espacio, por ejemplo, para procesar imágenes de instrumentos astronómicos montados en satélites.
Outlook
Aunque la computación cuántica podría llegar a los escritorios del mercado de masas, las soluciones de hardware clásicas seguirán dominando en este ámbito al menos durante los próximos veinte años. Mientras tanto, los ordenadores cuánticos a temperatura ambiente están llamados a desempeñar un papel en la educación de la sociedad sobre la computación cuántica. En última instancia, esto servirá para facilitar la investigación y permitir la adopción de los dispositivos más potentes y con mayor número de qubits en la nube. Aún no se sabe con certeza cuáles serán las tecnologías líderes del mercado, ya que la fotónica y la de diamante compiten con la superconductora, la de iones atrapados, la de átomos neutros, la fotónica e incluso la basada en silicio. Sin embargo, según el estudio de investigación de IDTechEx, el éxito comercial a largo plazo es más probable para soluciones más inherentemente escalables, para las que las modalidades adaptadas a ordenadores de sobremesa podrían tener una ventaja competitiva significativa. Se prevé que el mercado de los ordenadores cuánticos aumente rápidamente a medida que avance la tecnología, con más de 3.000 sistemas instalados en 2043.
Informe de IDTechEx "Computación cuántica 2023-2043".
