Crees que una computadora cuántica es solo un chip; por dentro es un laboratorio de espejos, láseres y cámaras al vacío

Prácticamente cualquier computadora moderna, desde el microcontrolador en un lavavajillas hasta los servidores para sistemas de inteligencia artificial, funciona con transistores. Miles de millones de elementos microscópicos se conmutan entre dos estados que representan el cero y el uno. Con la lógica binaria las computadoras almacenan información, realizan cálculos y ejecutan programas. Las máquinas cuánticas son diferentes, pero los ingenieros todavía no han encontrado para ellas un elemento constructivo universal que pueda fabricarse en masa y combinarse en enormes sistemas de cálculo sin grandes pérdidas.

La base del computador cuántico es el cubit, el análogo cuántico del bit convencional. El bit clásico toma el valor cero o uno, mientras que el cubit puede encontrarse en superposición de varios estados. Los cubits también pueden vincularse mediante entrelazamiento cuántico, por el cual los estados de elementos individuales resultan interdependientes. La combinación de varios efectos cuánticos permite diseñar algoritmos para problemas que las computadoras habituales resuelven mal o que requieren demasiado tiempo y recursos.

El principal problema surge por la fragilidad de los estados cuánticos. Es necesario proteger el cubit del calor, de las interferencias electromagnéticas y de contactos accidentales con el entorno. Cualquier perturbación puede destruir la superposición o el entrelazamiento y arruinar el cálculo. Al mismo tiempo, los ingenieros deben intervenir deliberadamente sobre los cubits: cambiar estados, conectar elementos vecinos y leer el resultado. Un buen aislamiento dificulta el control, y un control cómodo aumenta el riesgo de errores.

No existe una respuesta única sobre de qué conviene hacer los cubits. Parte de los desarrolladores emplea átomos individuales, ya que la naturaleza ya les proporciona niveles cuánticos estables. Antes de un cálculo, el átomo hay que aislarlo del entorno y mantenerlo dentro de una cámara de vacío. Para capturar las partículas se aplican dos métodos principales: trampas iónicas y pinzas ópticas para átomos neutros.

En un computador cuántico iónico se le quita a un átomo un electrón. El átomo adquiere carga eléctrica positiva, tras lo cual campos eléctricos mantienen el ion resultante en una región determinada. Las instalaciones de laboratorio permiten trabajar incluso con una sola partícula.

Uno de los experimentos más ilustrativos se realizó con estroncio. Electrodos de acero en forma de agujas y placas creaban un campo eléctrico que retenía un único ion aproximadamente en el centro de un espacio de dos milímetros entre las puntas. En la fotografía la partícula aparece como un punto luminoso. Un láser ilumina continuamente el ion; la partícula absorbe fotones y luego emite luz al perder el exceso de energía.

Las trampas grandes son útiles para experimentos con varios cubits, pero no son adecuadas para sistemas con miles de elementos. Para situar más iones, los ingenieros desarrollan trampas superficiales. Los iones flotan sobre el microchip, y los campos eléctricos los generan mediante electrodos finos de oro en la superficie del chip.

En una de las trampas superficiales integraron en el chip un detector de fotones miniaturizado. El detector leía el estado de iones de berilio que se utilizaban como cubits. Trasladar parte del equipo de medición directamente al microchip reduce el número de componentes voluminosos externos y ayuda a compactar el sistema cuántico.

Otro método mantiene el átomo eléctricamente neutro. Las partículas se retienen con matrices de haces láser muy estrechos, denominadas pinzas ópticas. La luz focalizada crea una trampa para un átomo individual, y mover el foco del láser permite cambiar la posición de la partícula.

Para el funcionamiento de un computador cuántico de átomos neutros se requiere un sistema óptico complejo. Unos láseres capturan los átomos, otros ayudan a desplazar las partículas, otros controlan los estados cuánticos o participan en la medición. La luz pasa a través de espejos, lentes y fibras ópticas. Elementos adicionales dividen los haces, dirigen la luz a las zonas necesarias del montaje y mantienen los parámetros de los láseres.

Los átomos se encuentran dentro de una celda de vacío de vidrio. Alrededor de la cámara se colocan bobinas mediante las cuales se regula el campo magnético en la región de las trampas. Cerca se instalan lentes y otros elementos ópticos que focalizan los haces láser dentro de la cámara. Por eso la parte central de un computador de átomos neutros se parece más a un montaje óptico de laboratorio que a un procesador convencional.

Las pinzas ópticas permiten reubicar los átomos dentro de una matriz y acercar pares de cubits seleccionados. La posibilidad de cambiar la geometría del sistema ya la demostraron los investigadores en 2018. Los átomos se ensamblaron en estructuras tridimensionales, incluyendo un hiperboloide, una banda de Möbius, una esfera que recuerda a un fullerene, un cono, un toro y un modelo de la torre Eiffel.

Las figuras servían no como adorno, sino para comprobar el control de átomos individuales. Para el cálculo cuántico es importante poder elegir qué cubits deben interactuar en un momento determinado. Una matriz reconfigurable permite cambiar la disposición de las partículas sin fabricar un nuevo circuito con conexiones predeterminadas.

Para 2025 el tamaño de los arreglos atómicos alcanzó varios miles de partículas. En un experimento los investigadores capturaron 6100 átomos de cesio controlados individualmente dentro de una matriz de pinzas ópticas de un milímetro de diámetro. Los cubits codificados en los átomos conservaron la coherencia durante mucho tiempo, es decir, el estado cuántico no se destruyó demasiado rápido.

El mero número de átomos capturados aún no significa que el sistema sea capaz de realizar cálculos con 6100 cubits. En el experimento no ejecutaron un algoritmo cuántico en todo el conjunto. El récord de cubits usados simultáneamente para un algoritmo cuántico real sigue siendo mucho menor. La dificultad principal no es atrapar un gran número de átomos, sino controlar con precisión todo el sistema durante los cálculos.

Los computadores cuánticos superconductores siguen otro camino. En lugar de átomos individuales, los ingenieros crean circuitos cuánticos artificiales sobre placas de silicio. La producción se parece en parte a la de los microchips convencionales: sobre el silicio limpio se depositan finas capas de metales y otros materiales, formando circuitos eléctricos a escala micrométrica.

En esos circuitos se utilizan, entre otros, aluminio y niobio. A temperaturas muy bajas los metales pasan al estado superconductor, la corriente eléctrica circula sin la resistencia habitual y un circuito correctamente diseñado adquiere niveles energéticos cuánticos. Dos niveles seleccionados pueden usarse como estados de un cubit.

Los procesadores se fabrican en salas limpias donde el aire se filtra para eliminar polvo y otras partículas. La contaminación de la superficie puede alterar las características de los elementos microscópicos. Tras depositar todas las capas, la placa de silicio se corta en chips individuales. El procesador moderno IBM Nighthawk contiene 120 cubits y circuitos superconductores adicionales que gestionan las conexiones entre ellos.

Las primeras muestras eran considerablemente más pequeñas. Un chip experimental de comienzos de la década de 2010 medía seis por seis milímetros y contenía cuatro cubits superconductores. Junto a cada cubit discurría una pista superconductora sinuosa que actuaba como resonador para almacenar información cuántica. Un resonador zigzagueante más largo en el centro proporcionaba la conexión entre cubits. A través de contactos externos llegaban pulsos microondas para controlar los estados y medir el resultado.

La fabricación del chip no pone fin al trabajo. Los cubits superconductores deben enfriarse hasta una temperatura cercana al cero absoluto. Para el enfriamiento se utilizan refrigeradores por dilución, en cuyo interior circula una mezcla de isótopos de helio. Varios niveles metálicos reducen sucesivamente la temperatura hasta el rango en que los circuitos cuánticos superconductores pueden funcionar normalmente.

Ya en 2009 un experimento con dos cubits superconductores requería una instalación criogénica separada. El chip se fijaba en un bloque de cobre bajo la etapa de enfriamiento más baja. Alrededor se colocaban varias pantallas cilíndricas. Las pantallas bloqueaban la radiación térmica y el vacío reducía la transferencia de calor desde el entorno.

Los refrigeradores modernos contienen mucho más cableado. Los cubits necesitan señales de control y las conexiones entre elementos individuales deben ajustarse con precisión. Por eso desde la electrónica de sala hasta el procesador enfriado van numerosas líneas. A los cables se les da curvaturas en S para compensar la contracción de los materiales durante el enfriamiento y reducir la tensión mecánica.

Cada nuevo cubit aumenta la carga sobre toda la infraestructura. Es necesario añadir líneas de control, canales de medición, electrónica y conexiones, y luego ubicar los componentes de modo que las interferencias adicionales no destruyan los estados cuánticos. Por eso aumentar el número de cubits no se puede reducir a ampliar simplemente la superficie del procesador.

La escala necesaria supera con creces el tamaño de la mayoría de las máquinas experimentales actuales. Incluso las estimaciones optimistas para computadores cuánticos tolerantes a fallos y útiles comienzan en decenas de miles de cubits físicos. Para algunas arquitecturas y esquemas de corrección de errores pueden ser necesarios millones.

Un número tan elevado se debe, sobre todo, a los errores. El cubit físico conserva mal la información según los estándares de la electrónica clásica: el estado cuántico pierde coherencia gradualmente y las operaciones se realizan con una probabilidad de error distinta de cero. Por eso un cubit lógico fiable debe codificarse mediante un grupo de cubits físicos y corregir continuamente las fallas que surjan.

Las distintas plataformas ofrecen ventajas y limitaciones propias. Los iones permiten usar estados atómicos bien estudiados, pero requieren trampas con electrodos complejos y sistemas de control. Los átomos neutros se pueden agrupar en grandes matrices reconfigurables, aunque la aparatología láser se complica rápidamente al aumentar el número de partículas. Las circuitos superconductores pueden fabricarse con métodos próximos a la producción de microchips, pero el procesador debe enfriarse casi hasta el cero absoluto y conectarse a un gran número de líneas de control.

Por eso el computador cuántico actual no consta de un solo procesador inusual. En torno a varias decenas, cientos o miles de cubits hay que construir cámaras de vacío, sistemas láser, trayectos ópticos, electrónica de microondas, electrodos, instalaciones criogénicas y equipos de medición. Para una máquina práctica, los ingenieros deberán aumentar el número de cubits controlados al menos hasta decenas de miles y, al mismo tiempo, mantener los errores en un nivel que permita que la corrección preserve los resultados de los cálculos.