Este es el único español que ha logrado crear bits cuánticos para revolucionar el PC

Hace unas décadas, el concepto de ordenador cuántico era una idea entre extraña y anticuada, descrita por primera vez por investigadores como el físico Richard Feynman allá por los años 50. No fue hasta principios del presente siglo que empezaron a aparecer los primeros trabajos que hablaban sobre cúbits o bits cuánticos, las unidades básicas de información que manejan estos sistemas cuyo funcionamiento sigue siendo una incógnita para muchos.

No lo es, sin embargo, para el físico Pol Forn-Díaz, actualmente en el Centro Nacional de Supercomputación de Barcelona (BSC-CNS). Forn-Díaz es el único científico patrio que conoce y ha puesto en práctica la receta para cocinar cúbits, una tarea que llevará a cabo en el marco del proyecto Qilimanjaro para construir el primer ordenador cuántico de nuestro país.

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Antonio Villarreal

El investigador trabaja con los denominados cúbits de flujo, un tipo de cúbit superconductor como los que emplean en sus máquinas la empresa D-WAVE y el MIT. En la práctica, se trata de circuitos de escala nanométrica formados por materiales superconductores dispuestos en forma de anillo que, cuando se enfrían, dan lugar a corrientes en sentidos opuestos que se superponen. “Son más complejos que los transmones [otro tipo de cúbit], pero tienen más funcionalidad y te permiten hacer operaciones de ‘quantum annealing’ o computación cuántica adiabática” para resolver problemas de optimización.

Para ponerse manos a la obra, Forn-Díaz y el resto del equipo del BSC-CNS necesitan unas instalaciones especiales. “La fabricación no es en sí muy complicada, las máquinas que se requieren son bastante convencionales”, aclara el investigador a Teknautas. El problema es que precisan unas adaptaciones que actualmente no existen en ningún centro español y para las que tampoco puede encontrarse personal preparado. “En España no hay una tradición muy grande de física experimental y no hay convocatorias con financiación suficiente para montar un laboratorio, hay que ir haciéndolo por piezas y el proceso es muy lento y burocrático”, explica el científico.

Su maestro de la computación

Forn-Díaz comenzó su andadura investigadora en la Universidad Técnica de Delft (Holanda), hoy convertido en un centro de referencia en computación cuántica, bajo la tutela de Hans Mooij, padre de los cúbits de flujo. Corría el año 2005 y el grupo de Mooji arrancaba los primeros estudios sobre computación cuántica: “En ese momento no se utilizaba el lenguaje de hoy en día, pero, básicamente, hacían simulaciones cuánticas con redes de uniones de Josephson”, explica el catalán. En los circuitos cuánticos superconductores, esas uniones o áreas donde se tocan las dos capas de metal superpuestas que forman cada unidad es un factor clave.

Los trabajos sobre redes desembocaron en la creación de un tipo de cúbit nuevo, una celda de esos entramados con cuatro uniones de Josephson. La primera de estas unidades, fabricadas con aluminio, fue fruto de la colaboración con un equipo del prestigioso Instituto Tecnológico de Massachusetts, por donde también ha pasado Forn-Díaz, además del Instituto Tecnológico de California, donde trabajó con uno de los padres de la óptica cuántica, y la Universidad de Waterloo (en Canadá).

Para producir un bit cuántico se emplea la litografía de electrones, una técnica que permite bombardear con un haz de electrones la resina colocada sobre un chip de silicio para dibujar el circuito. Una vez sometido a una especie de revelado, se obtiene una máscara donde el chip queda expuesto en aquellas partes que han recibido el flujo de partículas. Esta se introduce a continuación en un evaporador de metales para depositar átomos de aluminio sobre el contorno abierto en el sustrato. El último paso consiste en eliminar la resina para obtener el sustrato de silicio con el trazado del circuito formado por los átomos de metal.

“Típicamente, se trabaja con chips del tamaño de unos dos centímetros por dos centímetros. En uno solo, puedes tener al mismo tiempo alrededor de 10 circuitos a la vez”, explica Forn-Díaz. Solo falta cortarlos individualmente en pedacitos de cinco milímetros por cinco milímetros. “A finales de los 90, los primeros circuitos eran mucho más complejos, pero se han simplificado de manera que se mantenga la calidad de los cúbits”, dice el investigador.

Es debido a esta optimización del diseño que el campo de los circuitos cuánticos superconductores ha despegado en los últimos años y aterrizado en el mundo de las grandes empresas tecnológicas, alrededor del año 2011.

Todos los detalles cuentan

Más allá de los chips, el entorno de fabricación y medida de los procesos que en ellos se producen es fundamental. “Primero tienes que enfriarlos, porque si no ni siquiera tienes un circuito superconductor”, indica Forn-Díaz. El aluminio se convierte en un metal superconductor a casi -272 °C. Por eso, para que los cúbits se mantengan en el estado fundamental, deben introducirse en un refrigerador de dilución, como el instalado en el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología —con el que trabaja el equipo del BSC-CNS—.

Por otro lado, con el fin de poder ajustar y medir el estado de las unidades de información cuántica, se utiliza una cavidad resonante de microondas que las aísla del ruido del campo electromagnético externo y que sirve de sensor para observar su estado. Para manipularlo, se emplean pulsos de microondas de una frecuencia y duración determinadas.

En la actualidad, mientras esperan la financiación suficiente para construir el ordenador cuántico, el equipo de Forn-Díaz colabora con el ICN2 para adaptar sus instalaciones y sistemas de medida. No obstante, los cúbits que utilizará en los primeros experimentos no serán ‘made in Spain’, sino que el investigador empleará algunos que ha obtenido en Waterloo y le han facilitado desde otros centros de Europa y Estados Unidos.

“Para fabricar un cúbit necesitas una sala blanca”, advierte Forn-Díaz. Se trata de un laboratorio del que se han extraído todas las partículas de polvo que hay en el aire. El científico ya colabora con el Centro Nacional de Microelectrónica del CSIC, donde se encuentra una de las salas blancas más grandes de España, para adaptarla y fabricar una primera generación de chips cuánticos. “Es importante tener tu fuente de cúbits cerca del laboratorio”, asegura el investigador.

Según Forn-Díaz, “no estamos hablando de cosas del futuro”. El punto de inflexión en computación cuántica, conocido como supremacía cuántica, lo marcará el momento en que los ordenadores cuánticos permitan realizar operaciones que no pueden reproducirse en ninguna máquina convencional ni en un superordenador. Para lograrlo, se estima que se necesitarán del orden de 50 cúbits. “Se podrán hacer cálculos útiles a nivel científico o de ingeniería dentro de un plazo de unos cinco años”, vaticina el investigador español.

Gracias al trabajo de científicos como él, quizá España pueda contar con una de estas increíbles máquinas. “A la larga todo el mundo va a querer tener un ordenador cuántico, tanto para proteger la información cifrada como para hacer cálculos que permitan diseñar desde aviones hasta edificios”, concluye Forn-Díaz.