Implementación física del Qubit

Para poder explotar las posibilidades que ofrece lo que hemos visto hasta ahora, tenemos que ser capaces de construir dispositivos en los que implementemos físicamente el qubit, es decir, construyamos una máquina que nos permita poder aislar los fenómenos cuánticos que se producen en el mundo microscópico y medir el estado del sistema. Esto ya da una idea del reto tecnológico que eso supone. El primer problema al que nos vamos a enfrentar, es ser capaces de aislar adecuadamente el sistema para evitar que perturbaciones externas alteren lo que pretendemos controlar y eso, a escala macroscópica, puede suponer un problema pero, a escala microscópica, es infinitamente más complicado.

Los modos de implementación física del Qubit, por otro lado, definen los tipos de computadores cuánticos que se están fabricando actualmente. Los que presentamos aquí són los ejemplos más relevantes, sin embargo la lista no es completa y sigue creciendo. Lamentablemente, para poder explicar algunas implementaciones de qubit, es necesario un conocimiento básico de algunas especialidades de la física (partículas o altas energías, materia condensada y cuántica). Intentaremos buscar la forma de simplificar las explicaciones e incluir referencias para profundizar en el conocimiento de los conceptos que se mencionan.

Lo primero que hay que aclarar es que, para representar a un qubit, podemos utilizar cualquier estado cuántico de dos niveles. Los sistemas de niveles múltiples se pueden utilizar también, si poseen dos estados que se puedan desemparejar con eficacia del resto (por ejemplo, el estado fundamental y el primer estado excitado de un oscilador no lineal). Hay varias opciones de este tipo de sistemas que se han puesto en práctica con diferentes grados de éxito. Por otro lado, distintas implementaciones de qubits podrían emplearse juntas para construir un computador cuántico, de la misma forma que se hace en la computación clásica, en donde un bit puede representarse mediante el estado de un transistor en una CPU o una memoria, por el estado de magnetización de una superficie en un disco duro o por la transmisión de corriente en un cable.

En la siguiente imagen se muestran algunos modos de implementar físicamente un qubit, y las compañías que están construyendo dispositivos cuánticos en base a esos modos.

Expliquemos brevemente estas implementaciones:

Anillos superconductores

Este sistema de implementación de qubits usa corrientes que circulan sin resistencia a través de un anillo de un material superconductor. Para inducir un estado excitado en el sistema, para dar un valor al qubit, se utiliza un haz de microondas transversal. Otras técnicas son posibles, en función de la utilidad del qubit (formar parte de una puerta cuántica determinada u otro propósito), pero coinciden en el uso de circuitos superconductores y el uso de microondas para la gestión de estados.

Algunos de los fabricantes que han apostado por el sistema de circuitos superconductores son: Google, con su sistema Sycamore de 54 qubits; IBM con su sistema Q de 65 qubits; Rigetty (empresa americana especializada en construcción de circuitos integrados cuánticos); y Quantum Circuits Inc. (QCI).

El más potente hasta octubre del 2021 era el Zuchongzhi 2.1 chino, de 66 qubits. Según afirmaban sus creadores, es 10 millones de veces más rápido que el superordenador más rápido del mundo y puede manejar cálculos que son 100 veces más complejos de los que puede manejar el Sycamore de Google. Este fué superado en noviembre del 2022 por IBM con su procesador Osprey de 433 qubits, pero la carrera no se ha detenido.

Curiosidad: Si quieres saber cómo funciona un procesador cuántico basado en superconductores, esto se explica con todo detalle en el siguiente documento de la institución holandesa QuTech, que describe su sistema de 5 qubits: Starmon-5.

Las principales desventajas de los qubits superconductores son que requieren mantener el sistema a temperaturas próximas al cero absoluto, son muy susceptibles al ruido cuántico, tienen una reducida longevidad de los estados (del orden de microsegundos) y su conectividad a puertas cuánticas es limitada.

Por contra, esta tecnología es la más desarrollada hasta el momento contando con un mayor conocimiento en la comunidad académica y la industria, en cuanto a herramientas, tecnologías secundarias necesarias o técnicas de fabricación. Estos qubits se pueden construir a partir de las tecnologías actuales de fabricación de semiconductores.

El siguiente video explica cómo funciona esta tecnología.

La tecnología basada en iones atrapados es una de las primeras aproximaciones a la fabricación a gran escala de computadores cuánticos. Se basa en confinar iones, o partículas atómicas cargadas, mediante campos electromagnéticos. La primera propuesta de implementación con este modelo, fué realizada por un físico español (Ignacio Cirac) y otro austriaco (Peter Zoller) en 1995, según el modelo teórico desarrollado por el físico aleman Wolfgang Paul a mediados del siglo pasado.

Esta tecnología no es nueva. Los relojes atómicos más precisos se han construido por medio de esta tecnología. De hecho, las implementaciones actuales basadas en iones atrapados, usan, como los relojes atómicos, un isótopo del Yterbio para construir los qubits. Se usan láseres para eliminar un electrón de la capa exterior del átomo, convirtiéndolo así en un ion de iterbio (Yb+), que luego se confina mediante un campo electromagnético, formando una estructura lineal de qubits. Dado que esta tecnología es fácil de reconfigurar, se pueden crear cadenas de cientos de qubits.

Las principales compañías que han apostado o desarrollado esta implementación son, en primer lugar, la start-up californiana IonQ y por otro lado la compañia Quantinuum, fusión del gigante americano Honeywell (de regreso al sector tecnológico después de 30 años ausente), con Cambridge Quantum Computing (CQ), líder global en software y algoritmos cuánticos. Quantinuum, con su System Model H2 de 32 qubits, demostró la capacidad de crear un estado GHZ de 32 cúbits (un estado cuántico con todos los 32 cúbits entrelazados de forma integral), el más grande registrado hasta octubre del 2023.

Curiosidad: IonQ se convirtió, en octubre del 2021, en la primera empresa de hardware de computación cuántica en cotizar en bolsa. Su lista de inversores incluye Google Ventures, Amazon Web Services y el fondo climático Breakthrough Energy de Bill Gates [Fuente: El Economista]

Dos de las ventajas principales de este sistema son: por un lado que no es necesario refrigerar a temperaturas extremadamente bajas, como en la mayoría del resto de implementaciones y, por otro, la elevada longevidad de los estados cuánticos. Esto la convierte en una de las arquitecturas más prometedoras para una computadora cuántica universal escalable.

Como contrapartida, son generalmente significativamente más lentas que sus equivalentes basadas en superconductividad. Aunque no es necesaria una refrigeración extrema, si deben estar en un alto vacío y su construcción requiere de la integración de tecnologías de un gran número de dominios: láser, sistemas ópticos, tecnologías de vacío, radiofrecuencia, microondas y equipos de control.

Curiosidad: La primera puerta lógica cuántica (equivalente cuántico a las puertas lógicas digitales), fue demostrada en 1995 usando la tecnología de iones atrapados.

Puntos cuánticos en silicio

Otra aproximación a la fabricación de qubits es el uso de semiconductores. Esto, evidentemente, ofrece varias ventajas. La principal, quizás, es aprovechar las herramientas y el conocimiento sobre casi tres décadas en la industria de microchips, razón esta por la que el gigante americano del diseño y construcción de semiconductores, Intel, se haya interesado por este método.

Los puntos cuánticos, también denominados átomos artificiales o sistemas de electrones de dimensión cero, son objetos en los que ciertos electrones están confinados en un pequeño recinto espacial de tamaño mesoscópico (de unas pocas decenas a unos pocos cientos de nanómetros), lo que permite que el electrón solo tenga ciertos valores propios para su energía. Cuando el material de base es el silicio, estaríamos hablando de puntos cuánticos de silicio, que tienen un gran potencial de aplicación como dispositivos optoelectrónicos y, en el caso que nos ocupa, también para la implementación física de qubits.

Algunos ejemplos de compañías o instituciones académicas que están trabajando en este tipo de implementaciones son Intel (como he mencionado antes), la universidad de Cambridge, Universidad de tecnología de Delft, Harvard y la universidad de New South Wales (UNSW). Según palabras del director de hardware cuántico de Intel, Jim Clarke;

“Intel [después de trabajar en tecnologías de superconductividad] giró hacia puntos cuánticos de silicio y qubits basados en spin por varias razones. Para empezar, los puntos cuánticos de silicio se parecen mucho a un transistor. Tienen una fuente, compuerta y drenaje y cuando se aplica un potencial, la corriente fluye a través del dispositivo. Intel ha desarrollado tecnología para controlar con precisión la cantidad de electrones que fluyen…”.

Algunas de las ventajas de esta implementación, como decía al principio, son el aprovechamiento del conocimiento e infraestructuras de la industria de semiconductores, la escalabilidad y también la fidelidad de los qubits. Es una de las tecnologías prometedoras para la construcción de sistemas cuánticos que se puedan explotar comercialmente.

Qubits topológicos

Este tipo de implementación de qubits es la más reciente a nivel teórico pero aún debe probarse su existencia, e incluso la observación experimental de la estructura básica que subyace a estos qubits. En líneas muy generales las operaciones de estos qubit están protegidas por una simetría topológica a nivel microscópico. Esto podría reducir, o incluso eliminar, las técnicas necesarias de corrección de errores que deben realizarse en todas las otras implementaciones. Si esta tecnología supera la fase experimental con éxito, podría ser una de las tecnologías con más futuro por su baja tasa de error y escalabilidad.

Este artículo explica, de forma bastante asequible, el fundamento teórico de la computación cuántica topológica y las dificultades que se están presentando en su realización práctica en la actualidad (septiembre del 2021)

Los Laboratorios Bell, del gigante finlandés NOKIA (antes propiedad de AT&T) y Microsoft, son dos de las compañías más relevantes que han apostado por esta tecnología, sin embargo aún hay evidencia práctica de que hayan sido capaces de construir un computador cuántico en base a esta tecnología.

La ventaja de esta tecnología es que puede proporcionar mayores tiempos de coherencia, mayor longevidad de los estados y también mayor fidelidad de los mismos, es decir, menos errores que otras implementaciones. La principal desventaja es que es un modelo teórico, no se ha demostrado experimentalmente.

Vacantes en diamante

Esta tecnología aprovecha un defecto natural presente en la estructura cristalina de los diamantes, tanto naturales como artificiales, para implementar el qubit. Este defecto consiste en que, en la red cristalina del diamante, en lugar de tener dos átomos de carbono, hay un único átomo de nitrógeno, quedando vacante la otra posición. A este defecto se le denomina centro nitrógeno-vacante, y sus propiedades mecano-cuánticas lo hacen apropiado para su uso como qubit.

Una empresa especializada en esta tecnología, que la emplea para diversos propósitos, fundamentalmente para la fabricación de sensores cuánticos para diagnóstico médico (detectores de biomarcadores de alta precisión), es la startup americana especializada en biotecnología, Quantum Diamond Technologies Inc (QDTI).

Una de las mayores ventajas de este modelo de implementación del qubit es que opera mayor temperatura temperatura que los qubits superconductores, pero también hay otras ventajas que lo hacen muy interesante y prometedor, como por ejemplo:

• En cada cristal de diamante se pueden obtener varios qubits, algunos de los cuales se pueden emplear como ancilla qubits, adecuados para emplear en la corrección de errores.
• La comunicación entre qubits se realiza por enlaces fotónicos, lo cual facilita la creación de procesadores cuánticos que permitan el entrelazamiento de qubits distantes y también posibilita el escalado de forma que se puedan crear procesadores con mayor número de qubits.
• La operación y lectura del estado de los qubits se realiza por medio de fotones (laser), por lo que se minimizan los problemas que se producen en este aspecto con los qubits superconductores (cross-talk)

La compañía FUJITSU, junto con la universidad técnica de Delft y QuTech, están desarrollando esta tecnología para la construcción de procesadores cuánticos tolerantes a fallos y ya han publicado resultados muy interesantes que podrían dar lugar a la fabricación comercial de un computador cuántico de esta tecnología en unos pocos años.

En el siguiente video puedes encontrar una explicación de cómo funciona esta tecnología de implementación del qubit.

Fotónica Cuántica

Una última tecnología de implementación física de qubits, que no aparece en la imagen, pero que resulta relevante considerar, es la basada en fotónica, utilizando, generalmente, haces de láser.

La idea tras esta implementación física de qubits, es el uso de los fotones (las partículas cuánticas asociadas a la luz), que son candidatos ideales para los dominios de la información cuántica y las telecomunicaciones cuánticas, por su ausencia de masa y su débil interacción entre ellos y con el entorno.

En esta tecnología los qubits son, habitualmente, fotones individuales con dos polarizaciones diferentes (arriba-abajo e izquierda-derecha), que sirven como los dos estados del qubit. Las puertas lógicas de un solo qubit se pueden realizar utilizando dispositivos ópticos estándar, como cambiadores de fase y divisores de haz.

Algunas empresas que se han especializado en esta tecnología son: la startup canadiense Xanadu, que ofrece servicios de computación cuántica en la nube con su sistema propio basado en fotónica; y la startup californiana Psi Quantum, que ha anunciado ser capaz de construir un computador cuántico de 1 millón de qubits con esta tecnología.

En oriente, China ha revelado hace poco tiempo (finales del 2020), sus avances tecnológicos en computación cuántica con la publicación en varias prestigiosas revistas (Science, Physical Review, MIT Technology Review, entre otras), de sus avances en la demostración de la supremacía cuántica con dos tecnologías diferentes de computadores cuánticos. Uno de ellos está basado en qubits fotónicos, el Jiuzhang, cuya última versión (Jiuzhang 2.0) ha conseguido enlazar 113 fotones. Esta revelación, de investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC), convierte a este país en líder mundial en la demostración de la supremacía cuántica.

Las principales ventajas de esta implementación son: por un lado, que puede operar a temperatura ambiente, por otro, la larga longevidad de estados y que puede ser implementada en chips de silicio, con el consiguiente aprovechamiento de toda la infraestructura y técnicas disponibles en la industria de semiconductores.

Como contra, podríamos indicar que esta tecnología aún es incipiente y se deben resolver temas clave como la conectividad qubit y su escalabilidad en algunos casos (como el de China cuya máquina no es configurable), aunque la aproximación basada en circuitos integrados fotónicos que sigue Xanadu, podría resolver estos problemas.

No vamos a entrar en más detalles de cada uno de ellos. Sólo queremos poner de manifiesto que hay diferentes formas de implementar físicamente los qubits. Cada uno tiene sus pros y sus contras. Hay otras formas de implementación que no hemos contemplado aquí, como las incipientes de átomos artificiales de silicio y las denominadas de átomos neutrales, y seguramente habrá nuevas formas en un futuro próximo.

Curiosidad: En el mundo occidental asumimos que IBM y Google lideran la tecnología de la computación cuántica y son los más capaces para demostrar la supremacía cuántica en base a sus respectivas construcciones (como ocurrió con Google en octubre de 2019, aunque posteriormente IBM puso en duda), sin embargo, a finales del 2020, dos artículos publicados en varias prestigiosas revistas científicas (véase por ejemplo el número 127 de la revista Physical Review Letters de octubre de 2021), ponían al equipo de Jian-Wei Pan, de la universidad de ciencia y tecnología de China, a la cabeza de esta competición, habiendo demostrado la supremacía cuántica, no sólo con un computador cuántico, sino con dos, construidos en base a dos tecnologías diferentes (circuitos superconductores de 66 qubits y haces de láser de 113 qubits). También es cierto que en el segundo sistema, el fotónico, no es configurable y se ha diseñado para resolver un sólo tipo de problema.

Los objetivos que se persiguen en todas las implementaciones físicas de qubits, y que por el momento ningun sistema cumple completamente, son:

• Operar a temperatura ambiente. Actualmente la mayoría de los computadores cuánticos construidos requieren que los qubits estén encerrados en refrigeradores de dilución (de ahí su forma característica de cilindro suspendido), para obtener temperaturas de unas milésimas de grados Kelvin (250 más fríos que el espacio exterior)
• Mayores tiempos de longevidad de los estados. O mayores tiempos de decoherencia, es decir, que se pueda mantener el estado de los qubits durante el tiempo suficiente para poder ejecutar algoritmos complejos.
• Fidelidad. Garantía de que el qubit mantiene su estado tras una operación
• Sencillez de fabricación y operación. En algunas tecnologías, como las basadas en semiconductores y en parte las fotónicas, la industria está preparada para producir parte de los componentes necesarios para la fabricación industrial de computadores cuánticos. En otras, se precisa toda una nueva industria auxiliar, para poder abordar una producción industrial.
• Escalabilidad. Capacidad para incrementar el número de qubits de forma lineal y mantener la funcionalidad y la interoperabilidad entre qubits.

Un problema significativo de los computadores cuánticos es la decoherencia. Para no complicarlo en exceso, digamos que es el tiempo en que los qubits mantienen el valor que les hemos asignado. En la imagen anterior se muestra el valor estimado de longevidad del qubit en cada una de las implementaciones físicas que hemos mencionado.

Esto no ocurre en un computador clásico. Los bits mantienen su valor mientras el computador tenga suministro eléctrico (salvo en el caso de las memorias persistentes o los dispositivos de almacenamiento, que pueden mantener su valor durante decenios aun en ausencia de suministro eléctrico), pero los qubits, no. Estos tienden a volver a su estado fundamental muy rápidamente, en cuestión de microsegundos, y no es fácil aumentar este valor. La decoherencia cuántica sería la tendencia que tienen los qubits de perder el valor que le hayamos asignado. No es exactamente así, pero a efectos prácticos, para el propósito de esta introducción a la computación cuántica, es más que suficiente.

Otro reto tecnológico con el que se enfrentan múltiples de las implementaciones físicas de qubits que hemos visto, es el de mantener el sistema bajo condiciones extremas de refrigeración. Aquí es donde entran en escena los refrigeradores por dilución, que dan la forma característica a muchos de los computadores cuánticos.

Un refrigerador por dilución es un dispositivo criogénico que es capaz de proporcionar un enfriamiento continuo a temperaturas extremadamente bajas (del orden de milésimas de grado Kelvin), siempre que no haya partes móviles en la región de más baja temperatura. El enfriamiento se produce con isótopos de Helio (Helio-3 y Helio-4). No voy a entrar en detalles de cómo funciona, pero para quién esté interesado, este artículo de Antonio Corcoles, lo explica muy bien.

Curiosidad: Estos dispositivos criogénicos no son algo nuevo, ni los únicos para llegar a las temperaturas requeridas para muchos de los sistemas cuánticos construidos actualmente (del orden de mili-Kelvins). Existen otros sistemas criogénicos como, por ejemplo, el refrigerador de desmagnetización adiabática, que pueden alcanzar estos órdenes de magnitud, pero son menos prácticos para mantener el sistema a esas bajas temperaturas durante largos períodos de tiempo. Es por esto que la refrigeración por dilución se ha convertido en un estándar de facto para todos los computadores cuánticos que, por su diseño (tipo de implementación física de los qubits), deben operar a muy bajas temperaturas.

Un problema, no sólo asociado a la refrigeración, sino más bien a la escalabilidad del diseño en general, es que varias implementaciones de las descritas anteriormente, como es el caso de anillos superconductores, requieren de cables (o guías de ondas, para ser exactos), que controlan los estados de los qubits. Si los qubits se pueden implementar físicamente en un un bloque, al que se suele referir como Quantum Processor o Quantum Processor Unit (QPU, por su equivalencia con la CPU en la computación digital, aunque no es exactamente lo mismo), los equipos de radiofrecuencia que generan las señales de control para el control de los qubits, deben estar fuera del refrigerador (estos tampoco podrían operar a tan bajas temperaturas), lo cual obliga a que el diseño del computador cuántico incluya unas mangueras de “cables” desde los equipos de control hasta el interior del corazón del refrigerador donde reside la QPU. Si hablamos de una decena o centena de qubits, no hay que preocuparse, pero ¿Qué ocurre si queremos construir un computador cuántico de un millar o un millón de qubits? Obviamente, esto se convierte en un problema de magnitud nada despreciable. Esto nos recuerda a las incómodas válvulas, y programación por cableados, de nuestra infancia en la computación digital que, tampoco está tan lejos en el tiempo. Ochenta años después, volvemos a la infancia con este nuevo paradigma de computación.

Todo esto da una idea de lo problemático de construir un computador cuántico y los principales retos técnicos y operativos que supone.

Después de este breve recorrido por el mundo real en las implementaciones físicas, volvemos a los fundamentos teóricos para explicar un fenómeno muy importante en la comprensión de la computación cuántica.