Se busca ordenador cuántico: razón, Miraflores de la Sierra

Tenemos ahora unos días de septiembre deliciosos para salir de la ciudad, pasear por la sierra madrileña y reflexionar un poco sobre teleportación cuántica en materiales topológicos. Un momento, ¿me está diciendo usted que esa mujer de aspecto asiático que camina junto a la carretera que sube a la cumbre, en los alrededores de Miraflores de la Sierra, no es una mera turista extraviada sino una física especializada en materia condensada?

Sí señora, eso parece, dado que algunos de los principales expertos mundiales en computación cuántica se han reunido estos días en este pueblo de la sierra norte de Madrid, especialmente concurrido en verano y durante cónclaves científicos como éste, pero por lo demás con un censo de unos 5.700 habitantes.

"El Instituto Nicolás Cabrera, en colaboración con la Fundación BBVA, organiza aquí cada verano una escuela sobre uno de los temas actuales más relevantes en el ámbito científico internacional", explica a Teknautas Elsa Prada, física en la Universidad Autónoma de Madrid y una de las organizadoras del evento. "Este año, como no podía ser de otra manera después del premio Nobel de Física de 2016, la atención ha recaído sobre los materiales topológicos".

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Aunque seguro que lo recuerdan, aquel premio fue para David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz por sus estudios sobre las fases topológicas de la materia. Explicado pronto y mal, habitualmente encontramos la materia en estado sólido, líquido o gaseoso. A veces también la vemos en forma de plasma, como ocurre con el fuego. Pero existen más estados, lo que ocurre es que éstos solo aparecen en condiciones extremas o a escalas infinitesimales. Por ejemplo, si enfriamos vapor de agua desde los 100ºC hasta los -273ºC veremos cómo pasa de vapor a líquido, luego a hielo y finalmente, al rozar el cero absoluto, a algo que no es ni sólido ni líquido sino un estado exótico, conocido como condensado de Bosé-Einstein, donde todos los átomos están al mismo nivel.

"Hay como unos veinte estados, depende un poco de la definición que se tome", explica el teórico Yuval Oreg, que ha subido a la sierra desde el israelí Instituto Weizmann, "allí tratamos de encontrar nuevos estados de la materia, en particular un tipo especial de superconductor con múltiples aplicaciones, siendo la principal la computación cuántica".

Este tipo de estados sólo se dan a un nivel cuántico, muy por debajo del átomo. ¿Y qué tiene que ver todo esto con los ordenadores? Que éstos y sus procesadores sólo pueden ser sólidos, y, si queremos que sean más potentes y rápidos, tenemos que hacerlos cada vez más pequeños. Pero existe un límite de tamaño a partir del cual dejan de funcionar. El objetivo soñado es poder construir ordenadores capaces de funcionar en esos estados cuánticos para lograr una capacidad de procesamiento tan exponencial que pondría al mayor superordenador actual del mundo, el Sunway Taihulight chino, al nivel de un ábaco.

Los qubits pueden ser 0 y 1 al mismo tiempo, igual que el gato de Schrödinger podía estar vivo y muerto al mismo tiempo

En lugar de bits —los interruptores mínimos de los que está hecha la información en los ordenadores convencionales y que sólo tienen dos posiciones, 0 y 1— estos ordenadores cuánticos usan qubits. Debido a esa propiedad cuántica llamada superposición, estas nuevas unidades también pueden ser 0 y 1 al mismo tiempo, igual que el gato de Schrödinger podía estar vivo y muerto al mismo tiempo.

En resumen, el ordenador cuántico no es una abstracción teórica sino una posibilidad tangible, y por eso los principales gigantes tecnológicos persiguen crear sus propios modelos. Quizá por eso, el Instituto Nicolás Cabrera, que normalmente acoge a una treintena de personas en sus reuniones estivales, ha atraído este año en Miraflores de la Sierra a casi 100 expertos de 13 países.

El estado del arte

Precisamente ayer, pero en la otra punta del planeta, investigadores australianos anunciaron que habían encontrado una nueva manera de crear ordenadores cuánticos, mucho más barata y sencilla a la hora de producirlos a escala industrial. La clave estaría en que estos ordenadores cuánticos no emplearían materiales ni estados de agregación exóticos, sino el viejo silicio del que están hechos los circuitos actuales. Simplemente, usarían algunos recursos cuánticos para generar los llamados qubits flip-flop y embrutecer de esta manera el rendimiento de los ordenadores.

Sin embargo, Ramón Aguado, físico en el Instituto de Ciencias de Materiales del CSIC que se ha presentado en Miraflores de la Sierra con una camiseta de Wilco, no está excesivamente impresionado con el hallazgo australiano, al menos a un nivel teórico. Nos hace un repaso del estado del arte de la disciplina:

"La computación cuántica está ya muy avanzada, aunque ahora mismo hay distintas plataformas para acceder a ella y la que más avanzada está es la computación cuántica con superconductores", explica Aguado. "Hace un par de años Google fichó al mejor grupo del mundo, el de John Martinis en la Universidad de California Santa Barbara, y hace poco anunciaron que, a finales de este año, lograrían demostrar computación cuántica que supere al mejor superordenador que tengamos en la Tierra".

Hay tres tipos principales de ordenadores cuánticos: superconductores, semiconductores y topológicos

Otra plataforma es la de los semiconductores, donde se integrarían estos qubits de silicio australianos. "La ventaja es que tienen toda una industria detrás que, si pudieran implementar computación cuántica con pocos cambios en la infraestructura de chips que fabrican ya, harían un avance brutal sin tener que cambiar la tecnología", dice Aguado. Esta es, por ejemplo, la apuesta de Intel.

Y finalmente está el unicornio, perseguido tanto por físicos teóricos como experimentalistas, del ordenador cuántico topológico.

Es un ordenador 'completamente' cuántico y que por tanto necesita estar hecho de materiales cuánticos, no existentes como tal en la naturaleza pero que, una vez llevados a ciertas condiciones, adquieren propiedades extraordinarias. El más conocido es el grafeno, una lámina unidimensional y casi transparente de átomos de carbono, capaz de conducir la electricidad, 200 veces más resistente que el acero y premiada con el Nobel de Física en 2010. La principal ventaja de los ordenadores topológicos es que son más robustos —el qubit es muy frágil— y añaden propiedades adicionales al qubit, derivadas del exotismo de sus materiales.

¿De dónde sacamos estos materiales?

Los expertos reunidos en la sierra madrileña se dedican, por supuesto, a la computación cuántica topológica. La otra, la estándar, es ya pasto de la industria tecnológica y dará pingües beneficios en unos años, por tanto está demodé.

Más interesante es hablar de dónde se sacan esos materiales cuánticos. Otra de las autoridades mundiales que está esta semana en la sierra madrileña es Claudia Felser, del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos. Parte de su trabajo es determinar qué materiales pueden lograr propiedades útiles para la computación cuántica topológica. "Es un trabajo bonito, seleccionamos los mejores materiales de entre todos los materiales que existen", dice con sorna la alemana. "Primero leemos los conceptos que los teóricos proponen, luego tienes que encontrar un material que encaje, pensar en las condiciones, en la simetría... luego criamos ese material, reunimos elementos, los combinamos... y finalmente, alguien registra la estructura electrónica del material, que es como si le hiciéramos una fotografía". Y si la imagen del material coincide con los cálculos de los teóricos, bingo. "Nos ponemos muy contentos", concede Felser, que el mes pasado fue portada de 'Nature' por un trabajo realizado a medias con los investigadores españoles Maia García, Luis Elcoro y Luis Aroyo, del Donostia International Physics Center de Bilbao.

De hecho, los dos centros más punteros en computación cuántica están en Europa: el Instituto Niels Bohr de Copenhague y la Universidad Tecnológica de Delft. Ambos, eso sí, cuentan con financiación de Microsoft. En el primero, Fabrizio Nichele trabaja construyendo un superconductor topológico. "En la naturaleza no existe nada que nos sirva, así que estamos trabajando en un compuesto exótico", explica este físico experimental. "Mi propuesta es trabajar con superconductores y semiconductores tradicionales y combinarlos para crear un superconductor topológico artificial".

Estos materiales tradicionales son elementos pesados, como el arseniuro de indio o el antimoniuro de indio, que combinados con un campo magnético darían un nuevo tipo de superconductor. "Nuestro gran objetivo es lograr los llamados modos de Majorana, partículas que existen en la superficie de un material aislante", dice Nichele, "y en mi sistema, que es un nanocable, estos modos de Majorana aparecen en los bordes".

El día que alguien demuestre haber manipulado estos estados de Majorana le caerá un Nobel

Estas partículas son la clave para asegurar la estabilidad y robustez del ordenador, reduciendo el número de errores. "Ya se ha demostrado sobradamente que están ahí", dice Aguado, "el día que alguien demuestre que puede manipularlos le caerá un Nobel".

Mientras posaban en un mirador cobijados a la sombra de la sierra de Guadarrama, el físico teórico israelí y el físico experimentalista italiano han aparecido en una fotografía enfrascados en una apasionada discusión, que no se adivina en sus caras sino en la gestualidad de las manos. Al verla, la reacción en ambos es la misma: "¡Somos como Dirac y Feynman!", exclaman.

Se refieren a una foto tomada durante una conferencia sobre relatividad en Varsovia, 1962. Entonces Oreg y Nichele se marchan, emplazándose animadamente a una futura conversación en la que tratarán de decidir quién de los dos es Dirac y quién Feynman.