Hardware de ordenadores cuánticos: cómo se implementan los ordenadores cuánticos
En el artículo anterior titulado«Conceptos básicos: cómo funcionan los ordenadores cuánticos y hacia dónde se dirige la tecnología», ofrecimos una visión general delos conceptos fundamentales de la computación cuántica, incluidos los qubits (bits cuánticos), la superposición y el entrelazamiento. Partiendo de estos principios, en este artículo ofreceremos una visión general de cómo se implementan los qubits en sistemas físicos reales para hacer posible la computación cuántica. Existen muchos enfoques punteros para el diseño de hardware cuántico, cada uno con diferentes técnicas para mantener la estabilidad de los qubits y minimizar la decoherencia. Entre ellos, los enfoques más prometedores son (1) los ordenadores cuánticos de átomos neutros, (2) los ordenadores cuánticos de ionenes atrapados, (3) los ordenadores cuánticos superconductores y (4) los ordenadores cuánticos de qubits de espín. Exploramos los sistemas físicos subyacentes de cada enfoque, analizando sus ventajas y desventajas, al tiempo que reconocemos que el desarrollo de cada uno de ellos tiene diferentes implicaciones.
Ordenadores cuánticos de átomos neutros
Las computadoras cuánticas de átomos neutros funcionan utilizando láseres o campos electromagnéticos para atrapar átomos neutros en una región localizada. En tales sistemas, los átomos neutros actúan como qubits al almacenar información cuántica en los niveles de energía de los electrones de los átomos o en los estados hiperfinos de los átomos. Los estados internos de los átomos neutros actúan como los estados lógicos |0⟩ y |1⟩ de los qubits.
Se utilizan pulsos láser o electromagnéticos controlados con precisión para manipular los átomos neutros con el fin de inicializar los qubits, llevar a cabo operaciones cuánticas y realizar mediciones de sus estados cuánticos. Las operaciones con un solo qubit se pueden lograr aplicando pulsos láser o electromagnéticos sintonizados para acoplar dos niveles de energía internos seleccionados de un solo átomo. La duración, la frecuencia y la intensidad de los pulsos se pueden ajustar para cambiar el estado del qubit de |0⟩ o |1⟩, o cualquier superposición entre ambos, para realizar diferentes puertas con el átomo único.
Las computadoras cuánticas de átomos neutros pueden implementar puertas de dos qubits aprovechando el efecto «bloqueo de Rydberg». Para ello, se utilizan láseres o pulsos electromagnéticos para excitar un qubit a un estado de alta energía conocido como «estado de Rydberg». Al pasar a este estado de alta energía, el átomo excitado cambia los niveles de energía de los átomos vecinos, lo que impide que estos se exciten a estados de energía similares. El efecto de bloqueo de Rydberg se puede utilizar para establecer una superposición entre dos átomos vecinos, lo que produce puertas de múltiples qubits.
Las ventajas de los ordenadores cuánticos de átomos neutros incluyen una alta escalabilidad y características uniformes de los qubits gracias a grandes matrices de átomos comunes. Los pulsos láser y electromagnéticos también proporcionan un control preciso sobre los estados de los qubits. Sin embargo, atrapar y estabilizar átomos neutros es un reto, ya que pequeños desajustes o cambios de potencia en los rayos láser pueden hacer que los átomos se desvíen o escapen. Además, todos los átomos neutros deben mantenerse en un entorno de vacío controlado para evitar la decoherencia debida a colisiones con gases de fondo.
Ordenadores cuánticos de iones atrapados
A diferencia de los ordenadores cuánticos de átomos neutros, los ordenadores cuánticos de ionenes atrapados confinan (es decir, inmovilizan) partículas atómicas cargadas (iones) en el espacio libre utilizando campos electromagnéticos. El movimiento de cada ion atrapado se mitiga enfriando los iones con láser hasta cerca del estado fundamental. Al igual que los ordenadores cuánticos de átomos neutros, cada átomo de un sistema de iones atrapados funciona como un qubit que codifica la información cuántica en los estados electrónicos o hiperfinos de cada ion (por ejemplo, utilizando pulsos láser o microondas).
Las operaciones multiqubit se realizan en ordenadores cuánticos de ionenes atrapados acoplando los estados qubit internos de los iones a modos vibratorios compartidos entre iones próximos. Dado que los iones están atrapados dentro del campo electromagnético, cualquier movimiento vibratorio de un ion (por ejemplo, inducido por pulsos láser) hace que múltiples iones exhiban un movimiento cuantificado a través de interacciones de Coulomb (es decir, repulsión electromagnética entre los iones cargados). Con pulsos láser o electromagnéticos controlados con precisión, las vibraciones inducidas pueden hacer que los iones seleccionados se entrelacen, lo que permite diversas puertas de múltiples qubits y operaciones cuánticas.
Las computadoras cuánticas de iones atrapados tienen varias ventajas, entre ellas bajas tasas de error con largos tiempos de coherencia, puertas cuánticas de alta fidelidad, amplias posibilidades de disposición de partículas entrelazadas (es decir, cada ion de una trampa puede entrelazarse con cualquier otro ion de la trampa), junto con esquemas de puertas bien conocidos y estandarizados que facilitan la implementación directa de algoritmos cuánticos.
Sin embargo, estos sistemas suelen implicar tiempos de procesamiento más lentos en comparación con los sistemas que utilizan qubits de estado sólido (por ejemplo, circuitos superconductores o qubits basados en silicio). Además, los sistemas de iones atrapados suelen requerir una infraestructura láser y electromagnética compleja para obtener resultados útiles. Al igual que los sistemas de átomos neutros, los sistemas de iones atrapados requieren condiciones de vacío controladas para evitar la decoherencia debida a colisiones con gases de fondo u otras partículas.
Ordenadores cuánticos superconductores
Las computadoras cuánticas superconductoras aprovechan las propiedades de los materiales superconductores para crear y controlar qubits. Los materiales superconductores, o «superconductores», son materiales que pueden conducir la electricidad sin resistencia ni pérdida de energía. Los superconductores funcionan a temperaturas extremadamente bajas, normalmente a unos pocos kelvin del cero absoluto (por ejemplo, de 1 a 20 K o de -272 a -253 °C). Los ordenadores cuánticos superconductores utilizan una estructura superconductora denominada «unión Josephson» para implementar qubits superconductores (por ejemplo, circuitos electrónicos superconductores).
Las uniones Josephson son barreras delgadas y aislantes situadas entre materiales superconductores, que pueden utilizarse para crear una variedad de qubits diferentes, incluidos los qubits transmon y los qubits de flujo. Los qubits transmon se crean conectando una unión Josephson en paralelo con un condensador relativamente grande. Esto crea un oscilador LC no lineal, que permite la creación de niveles de energía discretos para implementar la computación cuántica. La información cuántica se puede codificar en los estados de energía de los qubits transmon utilizando pulsos de microondas, que inducen transiciones entre los niveles de energía discretos del qubit. Los qubits transmon se pueden entrelazar utilizando el acoplamiento capacitivo o inductivo de qubits adyacentes, o mediante el acoplamiento a un resonador común, como una cavidad de microondas o una línea de transmisión.
Por otro lado, los qubits de flujo se forman utilizando un «bucle superconductor», o trayectoria de corriente, que incluye una o más uniones Josephson. Los qubits de flujo codifican la información cuántica en el flujo magnético de cada qubit, mediado por la dirección de la corriente a través del bucle superconductor. Las direcciones de la corriente (por ejemplo, en sentido horario o antihorario) sirven como los estados lógicos |0⟩ y |1⟩ de los qubits. Los qubits de flujo se controlan mediante una combinación de sintonización del flujo magnético externo y pulsos electromagnéticos. Más concretamente, los pulsos y el flujo magnético pueden utilizarse para ajustar externamente el estado del qubit, induciendo transiciones entre los estados |0⟩ y |1⟩ e implementando puertas de un solo qubit. Las puertas de múltiples qubits pueden lograrse mediante el entrelazamiento de qubits de flujo a través del acoplamiento inductivo de qubits adyacentes, uniones Josephson compartidas o el acoplamiento a resonadores comunes.
La implementación de ordenadores cuánticos que utilizan superconductores tiene una serie de ventajas, entre las que se incluyen operaciones de puerta muy rápidas y la capacidad de fabricar dichos sistemas utilizando técnicas litográficas similares a las que se utilizan para fabricar circuitos semiconductores convencionales. Los ordenadores cuánticos superconductores también son fáciles de escalar debido a su facilidad de fabricación y se benefician de una comunidad de investigación bien establecida. Sin embargo, la superconductividad adolece de tiempos de coherencia limitados y solo puede funcionar a temperaturas ultrafrías. Estos sistemas también son susceptibles al ruido, en particular al producido por la diafonía de los pulsos electromagnéticos utilizados para controlar los qubits individuales.
Ordenadores cuánticos de qubits de espín
Las computadoras cuánticas de qubits de espín implementan qubits de espín, que codifican la información cuántica dentro del espín de los portadores de carga (por ejemplo, electrones) en materiales semiconductores. El espín es una propiedad cuántica de las partículas subatómicas que puede estar en una superposición de arriba o abajo, lo que puede representar respectivamente los estados lógicos |0⟩ y |1⟩ de los qubits. La información cuántica de cada electrón (por ejemplo, los estados de espín hacia arriba y hacia abajo) puede controlarse girando el espín de un electrón en «puntos cuánticos». Los puntos cuánticos son regiones dentro del material semiconductor que confinan los electrones en las tres dimensiones espaciales. En algunos sistemas, los átomos donantes implantados en el material semiconductor, como los átomos de fósforo implantados en un sustrato de silicio, pueden utilizarse para aislar el espín de los electrones.
Los qubits de espín pueden controlarse mediante diversas técnicas ópticas, electromagnéticas o térmicas. En algunos sistemas, las puertas de un solo qubit pueden implementarse controlando el estado mediante la aplicación de un campo magnético oscilante sintonizado con la frecuencia del qubit objetivo. También pueden utilizarse campos eléctricos oscilantes para hacer pasar el espín de uno o varios qubits al estado deseado.
Las puertas multiqubit pueden implementarse proporcionando una barrera de túnel entre dos puntos cuánticos o átomos donantes. La interacción entre los espines hace que los dos electrones adyacentes se entrelacen, lo que puede utilizarse para crear puertas. Las puertas multiqubit pueden controlarse aplicando un voltaje a través de la puerta, lo que afecta a la forma en que interactúan los espines de los electrones adyacentes.
Las computadoras cuánticas de qubits de espín tienen una serie de ventajas, entre las que se incluyen largos tiempos de coherencia, un tamaño reducido y compatibilidad con los procesos de fabricación de semiconductores existentes. Sin embargo, estos enfoques aún requieren temperaturas extremadamente bajas para funcionar (por ejemplo, cercanas al cero absoluto). Además, las computadoras cuánticas de qubits de espín adolecen de una escasa escalabilidad debido a la complejidad de los circuitos necesarios para dirigir con precisión las señales de voltaje de alta frecuencia a cada qubit dentro del sistema.
Qubits con vacío de nitrógeno
Un nuevo y prometedor paradigma en la computación cuántica aprovecha los centros de vacantes de nitrógeno (NV) en el diamante para crear qubits robustos a temperatura ambiente. Los centros NV son defectos a escala atómica en la red cristalina del diamante, que consisten en un átomo de nitrógeno adyacente a una vacante, que exhiben fotoluminiscencia dependiente del espín y tiempos de coherencia del espín excepcionalmente largos. Estas propiedades permiten que los centros NV funcionen como qubits potencialmente muy estables que pueden inicializarse, manipularse y leerse ópticamente o mediante campos de microondas. A diferencia de muchos otros sistemas cuánticos que requieren un enfriamiento extremo, los qubits de los centros NV mantienen la coherencia cuántica incluso a temperatura ambiente, lo que abre la puerta a dispositivos cuánticos más prácticos y escalables. Además, su sensibilidad a los entornos magnéticos, eléctricos y térmicos permite aplicaciones avanzadas de detección cuántica junto con la computación cuántica. Este enfoque basado en el diamante combina la biocompatibilidad, la durabilidad y el potencial de integración con la tecnología de semiconductores existente, lo que lo convierte en un fuerte candidato para la próxima generación de tecnologías cuánticas.
Las implicaciones
Estos enfoques o implementaciones de la computación cuántica tienen diferentes ventajas tecnológicas, plazos de madurez y disponibilidad comercial, cadenas de suministro, posibles alianzas estratégicas, casos de uso, impactos en los productos, costes, etc., tal y como se ha sugerido. Comprender las diversas implicaciones será importante para evaluar el impacto, tanto estratégico como de otro tipo. A medida que se intensifica la carrera por la supremacía cuántica y por la computación cuántica de consumo, se irán perfilando las inversiones, las decisiones estratégicas, los plazos comerciales y el análisis de riesgos. Aunque es demasiado pronto para determinar qué enfoque o enfoques pueden alcanzar el dominio, ahora es el momento de que los estrategas, analistas y responsables de la toma de decisiones se familiaricen con los candidatos.
