Llega Helios, el nuevo 'milagro' de la computación cuántica

Tal y como ha explicado en repetidas ocasiones a ABC el físico español Ignacio Cirac, director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, estas máquinas juegan en una liga completamente distinta al resto. Mientras que los ordenadores clásicos procesan la información en forma de 'unos y ceros', los sistemas cuánticos «siguen las leyes de la física cuántica que rigen el mundo microscópico». Leyes que son totalmente ajenas al mundo macroscópico al que estamos acostumbrados y que permiten procesar y transmitir la información de una manera radicalmente distinta, lo que abre la puerta a que sean muchísimo más rápidos y eficientes que cualquier superordenador tradicional.

Fragilidad extrema

Sin embargo, el 'talón de Aquiles' de estos dispositivos radica en su extrema fragilidad. Para que un proceso cuántico funcione, es absolutamente necesario que el sistema no interaccione con nada externo. Cualquier intento de observar 'desde fuera' o cualquier mínima perturbación térmica, en efecto, hace que dejen de funcionar de inmediato, motivo por el cual tienen que estar siempre aislados y en condiciones extremas. Ese ha sido, hasta hoy, el principal muro contra el que han chocado los físicos de todo el planeta: cómo construir máquinas más grandes y potentes sin que el sistema se vuelva inmanejable por culpa de las interferencias y la pérdida de información.

Y ahí es donde radica la importancia del hito publicado en Nature. En lugar de utilizar circuitos eléctricos superconductores (la apuesta dominante de los gigantes tecnológicos estadounidenses), el nuevo ordenador Helios se basa en la tecnología de 'iones atrapados'. Es decir, que el sistema emplea átomos de bario (137Ba+) cargados eléctricamente, los cuales quedan suspendidos en el vacío mediante potentes campos electromagnéticos para actuar directamente como cúbits y ejecutar de esa manera las operaciones lógicas. Aunque ya existían ordenadores cuánticos de mayor tamaño en términos brutos, ningún otro basado en esta técnica de iones atrapados había logrado dominar 98 cúbits simultáneamente.

El resultado final es un nivel de precisión asombroso. Helios, de hecho, ha logrado operar de forma consistente con una fidelidad promedio del 99,921% en puertas lógicas de dos cúbits. Como señalan los autores del artículo, las pruebas de rendimiento indican que la máquina ya «supera los métodos clásicos de computación en velocidad y eficiencia energética». Carlos Sabín, investigador Ramón y Cajal en el departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), valora el logro asegurando que la cifra de 98 cúbits ya es «comparable a la de los circuitos superconductores». Además, el investigador español resalta que se alcanza un promedio de «0,08 % de error en las puertas a dos cúbits», logrando así una tasa «comparable e incluso superior» a la de otras arquitecturas rivales.

Arquitectura compleja

El gran 'secreto' de este hardware estriba en su ingeniosa y compleja arquitectura, conocida como QCCD (dispositivo cuántico de carga acoplada, por sus siglas en inglés). A diferencia de los circuitos superconductores, donde los cubits están anclados físicamente de forma estática, en el interior de Helios los iones fluyen y se mueven de un lado a otro a lo largo de la placa del chip. De modo que el dispositivo opera de manera muy similar a como circulan los bits en los procesadores convencionales de nuestros teléfonos u ordenadores portátiles.

Para conseguir esta movilidad subatómica, los investigadores diseñaron una estructura física clave: una minúscula intersección o cruce de cuatro vías en forma de 'X'. Ese nodo central dirige y conecta a los iones desde sus ubicaciones de memoria directamente hacia las zonas de lógica cuántica, distribuyéndolos de forma eficiente y sin que eso suponga tener que aumentar drásticamente la complejidad del cableado. Como detalla Sabín, esta capacidad revolucionaria de movimiento implica que «cualquier cúbit puede relacionarse con cualquier otro, lo que da lugar a una configuración más dinámica y flexible».

Hace apenas cinco años, la primera iteración de esta misma arquitectura apenas lograba controlar seis cúbits. El vertiginoso salto hasta los 98 cúbits actuales viene además acompañado de un nuevo software de control, denominado 'Helios runtime'. Este 'cerebro' digital traduce las operaciones que solicita el programador a movimientos físicos reales de los átomos en tiempo real. Se trata de un nivel de control dinámico que resulta esencial para aplicar mediciones a mitad de los circuitos sin arruinarlos; un paso ineludible en el largo camino hacia la futura corrección automática de errores en la computación cuántica.

Escalada mundial

El anuncio forma parte de una larga escalada tecnológica mundial hacia la supercomputación cuántica. Hace más de una década, en 2012, varios investigadores australianos y estadounidenses ya ponían las bases de esta precisión extrema al lograr ensamblar el primer transistor utilizando un único átomo de fósforo. Posteriormente, en 2019, la industria vivió otro enorme empujón cuando el equipo de Google anunció haber conseguido la 'supremacía cuántica', momento teórico en el que una máquina de este tipo hace en minutos lo que a la tecnología tradicional le llevaría miles de años. Hoy, el procesador Helios consolida todo ese terreno previo y consigue operar, reza el artículo, «mucho más allá del alcance de la simulación clásica».

¿Y cuál será el paso siguiente? En un artículo de análisis que acompaña a la investigación en Nature, la experta Crystal Noel señala que abordar sin demora los desafíos pendientes de ingeniería «será esencial para que las arquitecturas de iones atrapados alcancen la próxima frontera de la computación cuántica a gran escala».

Desde España, Carlos Sabín hace un llamamiento a la prudencia y el rigor. Advierte que esta máquina aún «tiene un largo camino por delante hasta llegar a resolver problemas prácticos» y destaca que los retos pendientes siguen siendo enormes: «cómo aumentar el número de cúbits hasta tener miles o millones de ellos, cómo reducir aún más las tasas de error y cómo corregir errores de manera efectiva». Helios no supone todavía la meta final, pero sin duda acaba de encender un nuevo y brillante faro en la carrera por conquistar definitivamente la era cuántica.