La revolución que traerá los procesadores cuánticos atómicos

Dijo Niels Bohr, Premio Nobel de Física en 1922, que quienes no se sorprenden al entrar en contacto por primera vez con la teoría cuántica, es imposible que la hayan comprendido. Desde Asturias, en el Centro de Investigación en Nanomateriales y Nanotecnología (CINN), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), la Universidad de Oviedo y el Principado de Asturias, han dejado atrás esa sorpresa inicial para trabajar en revolucionar la computación gracias a las propiedades de la materia a nivel subatómico.

En concreto, trabajan en los procesadores cuánticos atómicos para tratar de resolver algunos de los problemas más relevantes de la física y de la química. Se tratan de procesadores “que usan los estados internos de átomos individuales para codificar y procesar información cuántica”, explica el investigador Daniel Barredo, científico titular del CINN del grupo de investigación de Tecnologías Cuánticas y Nanomateriales en el Laboratorio de Simulaciones Cuánticas, situado en la antigua localidad minera de El Entrego.

La mecánica cuántica, la física que ocurre a nivel microscópico, algo “muy impresionante” según le confesó en una carta Albert Einstein a Max Born, sirve para que “estas máquinas resuelvan ciertos problemas que están fuera del alcance de los ordenadores clásicos”, destaca Barredo. Los prototipos del CINN enfrían los átomos a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273,15 ºC, la temperatura más baja posible) y se atrapan en potenciales ópticos de tamaño micrométrico, denominados pinzas ópticas. Esta plataforma permite manipular los átomos a nivel individual. Las interacciones entre los átomos, necesarias para manipular la información cuántica, se obtienen mediante la excitación de los electrones de los átomos o mediante el acoplamiento mediado por fotones.

Esta es la base de la computación cuántica que se mide en cúbits o bits cuánticos, el análogo cuántico del bit en la informática convencional. Si los bits solo permiten dos estados, el 0 y el 1, en el mundo cuántico pueden existir superposiciones de ambas opciones. Así se pueden crear nuevas familias de algoritmos capaces de acelerar las operaciones actuales.

“Los procesadores cuánticos atómicos usan los estados internos de átomos individuales para codificar y procesar información cuántica” Daniel Barredo (CINN)

Las aplicaciones más prometedoras de los procesadores cuánticos atómicos se encuentran en la simulación cuántica de sistemas magnéticos, materiales cuánticos y problemas de química computacional. La simulación cuántica pone “átomos o fotones en una forma determinada e imita su comportamiento en un objeto sólido real, pero a escala diferente. Usa sistemas cuánticos artificiales para imitar lo que sucede en el mundo real. Esto nos puede mostrar cómo construir y sintetizar nuevos materiales”, explicó en 2014 el Nobel de Física Serge Haroche. “No sabemos simular con la informática actual las interacciones de un número elevado de partículas cuánticas. Las máquinas que construimos son sistemas donde se pueden manipular individualmente las partículas de forma más controlada que en el sistema físico que quieres simular. Se trata de una segunda revolución cuántica”, indica Barredo. La primera trajo los láseres, los semiconductores en que se basa la informática actual y los sistemas de navegación y geolocalización.

Más allá de la cuántica, Barredo espera que estos procesadores puedan hacer tareas de optimización en sectores industriales como la logística, al optimizar rutas de transporte. También se investiga su integración con técnicas de inteligencia artificial, lo que podría abrir nuevas dimensiones en el procesamiento de datos y el aprendizaje automático. Aunque estas aplicaciones más cotidianas aún no han sido demostradas, el científico estima que podrían ser una realidad en un plazo de 5 o 10 años, pero no imagina a medio plazo una miniaturización de la tecnología similar a la de los procesadores clásicos de silicio que permita unos portátiles o smartphones con computación cuántica.

“Es más previsible que puedan desempeñar un papel clave en centros de datos y aplicaciones especializadas”, destaca. Un ordenador cuántico puede realizar ciertas tareas que no son accesibles ahora, pero hay otras tareas que ejecutan los ordenadores clásicos para las que no son eficientes. Por eso, investigadores y empresas del campo intentan unir procesadores cuánticos a centros de alto rendimiento en los llamados sistemas híbridos.

Actualmente los procesadores cuánticos más consolidados son los circuitos superconductores. Su hardware se parece visualmente a los chips de silicio normales. La diferencia es que están formados por circuitos de superconductores con corrientes que circulan en dos direcciones de forma simultánea, lo que no permite la física clásica pero sí la cuántica. La tecnología desarrollada en este centro de investigación tiene ventajas como una escalabilidad relativamente sencilla, gran estabilidad, coherencia de los cúbits y compatibilidad con las tecnologías ópticas usadas actualmente en comunicación cuántica. Además, los procesadores no requieren complicadas técnicas de nanofabricación y pueden operar a temperatura ambiente, destaca Barredo.

Frente al problema del elevado gasto energético y de agua de los centros de datos de inteligencia artificial y pese a lo que pueda parecer por tener que enfriar hasta el casi cero absoluto, la computación cuántica atómica puede suponer “una ventaja económica en consumo”, señala Barredo. Las máquinas como las que se construyen en el CINN tienen un consumo eléctrico mucho más moderado que los centros de alto rendimiento.

Átomos enfriados y manipulados con láser

En el CINN están desarrollando un prototipo de procesador cuántico basado en átomos de Rydberg, átomos excitados con uno o varios electrones. Este proyecto tiene como objetivo contribuir al avance de esta plataforma para la simulación y la computación cuántica. “No hay una máquina plenamente funcional ahora mismo en España con esa tecnología. Nuestro proyecto busca formar una nueva generación de investigadores, técnicos y usuarios especializados en esta tecnología, aún incipiente en España”, destaca el científico del CINN.

Barredo, que ha desarrollado su carrera científica con experimentos cuánticos, destaca la importancia de los teóricos de la computación cuántica, como el español Ignacio Cirac, que dirige el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Alemania. “Los avances que están por venir serán tanto tecnológicos como conceptuales en los algoritmos” para implementar en máquinas, destaca.

La investigación actual de los procesadores basados en átomos neutros se centra en incrementar el número de qubits que se pueden manipular y en la mejora de la fidelidad de las operaciones entre ellos. “Investigaciones recientes han mostrado un camino para la implementación de códigos de corrección de errores. También se están desarrollando técnicas que permitirán operaciones más rápidas y una alta fidelidad en la lectura de los estados cuánticos. Muchos de los retos para el desarrollo de esta tecnología son problemas de ingeniería”, destaca el científico del CINN. Resolver estos obstáculos facilitarán la adopción comercial de estos nuevos sistemas computacionales.

El trabajo del grupo de Barredo se nutre de investigaciones previas de grupos pioneros como el de Mikhail Lukin en la Universidad de Harvard (Estados Unidos) y el de Antoine Browaeys en el Laboratorio Charles Fabry del Instituto de Óptico en París. Barredo trabajó en Francia con Browaeys, con quien desarrolló en 2016 un ensamblador de átomos controlados individualmente, atrapados en pinzas ópticas, a los que manipulaban sus estados internos con láseres.

“Estas tecnologías se consideran ahora una alternativa a los sistemas de superconductores que usan otras empresas”, destaca. En España hay laboratorios que trabajan en esta técnica como el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Castelldefels (Barcelona) y el Donostia International Physics Center en Guipuzcoa.

Barredo estima que estos procesadores podrían ser una realidad en 5 o 10 años

La plataforma del CINN usa el rubidio en estado gaseoso, al que envían fotones -partículas de luz- con láser en dirección contraria a la de la propagación de los átomos. Así logran que el rubidio pase del estado fundamental a un estado excitado cuando absorbe el fotón. El átomo sufre un pequeño retroceso por cada fotón. Entonces, “el átomo decae al estado fundamental otra vez y emite un fotón en una dirección que es aleatoria y está listo para absorber un segundo fotón. Si haces ese proceso muchas veces, en la dirección del movimiento, se frena” y quedan casi inmóviles, lo que reduce su temperatura hasta cerca del cero absoluto, explica Barredo. Sería como correr en una habitación llena de pelotas de ping pong que acaban atrapándote, ejemplifica. Cada átomo enfriado y manipulado con láser es un cúbit. Estos átomos, a estas temperaturas, presentan las características cuánticas como la superposición y el entrelazamiento en que se basa la computación cuántica.

Con la manipulación de fotones individuales de luz, “deberíamos ser capaces de transmitir información a través de códigos que no puedan ser descifrados por terroristas, espías comerciales o piratas informáticos”, planteó en 2005 Lukin. Existe el temor de que los ordenadores cuánticos podrían romper las claves digitales al factorizar “en un tiempo razonable” los grandes números en que se basa la seguridad informática actual. “Las claves y contraseñas son privadas porque los números son tan grandes que sabemos que con las máquinas actuales necesitarías años para poder descifrarlas”, indica el investigador.

Pero la cuántica solucionaría el mismo problema que crearía, tal y como predijo Lukin, con un nuevo tipo de criptografía. “Podemos utilizar los principios de la física cuántica para enviar información de un sitio a otro de forma totalmente segura”, añade Barredo, “puedes enviar información mediante fotones que nadie puede desencriptar. De acuerdo con los principios de la física cuántica, no puedes acceder a esa información y si alguien intercepta esa información tú te das cuenta”.

No obstante, Barredo destaca que existe la posibilidad de que alguien almacene la información encriptada y en un futuro cercano un ordenador cuántico podría acceder a ella. Los servidores encriptados podrían ser leídos por los procesadores cuánticos. “Habría que cambiar los sistemas, pero hay dos soluciones tecnológicas: la información codificada a través de algoritmos cuánticos y la criptografía poscuántica que usa algoritmos clásicos alternativos a la factorización de números primos” que es capaz de calcular la computación cuántica.

Hay otros dos motivos de tranquilidad momentánea en la seguridad informática. Por un lado, los ordenadores cuánticos más potentes actualmente no tienen aún el número de cúbits necesarios para desencriptar el sistema criptográfico de clave pública RSA utilizado. Además, tampoco tienen la capacidad de corregir los errores a la hora desarrollar un algoritmo con la profundidad suficiente para desencriptar. “Estamos lejos de tener un número de cúbits grande con una fidelidad de las operaciones lo suficientemente alta para implementar algoritmos de corrección de errores de forma eficiente, que permitan ejecutar un algoritmo suficientemente largo”, concluye el investigador.

La transferencia a la sociedad de las investigaciones en el CINN incluye los láseres, moduladores espaciales de luz y otros métodos de última generación para desarrollar los procesadores cuánticos atómicos. Las primeras máquinas cuánticas plenamente funcionales ya están haciendo su aparición en el mercado. Frente al desconcierto que suele generar la mecánica cuántica, el matemático Peter Woit, de la Universidad de Columbia (Estados Unidos), le dio la vuelta con el slogan: “Lo que es difícil de entender es la mecánica clásica, no la mecánica cuántica”.

Contenido realizado dentro del Programa de Ayudas CSIC – Fundación BBVA de Comunicación Científica, Convocatoria 2024 CSIC Comunicación