A finales del año pasado, el gigante tecnológico IBM anunció lo que podría parecer un hito en la computación cuántica: el primer chip, llamado Cóndor, con más de 1,000 bits cuánticos o qubits. Dado que esto fue apenas dos años después de que la compañía presentara el Eagle, el primer chip con más de 100 qubits, parecía que el campo avanzaba rápidamente. Para fabricar computadoras cuánticas que puedan resolver problemas útiles que van más allá del alcance de incluso las supercomputadoras clásicas más poderosas de la actualidad, es necesario ampliarlas aún más, quizás hasta muchas decenas o cientos de miles de qubits. Pero eso seguramente es sólo una cuestión de ingeniería, ¿verdad?

No necesariamente. Los desafíos de la ampliación son tan grandes que algunos investigadores piensan que requerirá un hardware totalmente diferente al de la microelectrónica utilizada por empresas como IBM y Google. Los qubits del Condor y del chip Sycamore de Google están hechos de bucles de material superconductor. Estos qubits superconductores han sido hasta ahora la liebre en la carrera hacia la computación cuántica a gran escala. Pero ahora hay una tortuga que viene por detrás: qubits hechos de átomos individuales.

Los avances recientes han transformado estos “qubits de átomos neutros” de forasteros a contendientes líderes.

“En los últimos dos o tres años se han producido avances más rápidos que en cualquier período anterior”, dijo el físico Mark Saffman de la Universidad de Wisconsin, Madison, quien contó al menos cinco empresas que compiten por comercializar la computación cuántica de átomos neutros.

Al igual que los bits de las computadoras comunes, los qubits codifican información binaria: unos y ceros. Pero mientras que un bit siempre está en un estado u otro, la información de un qubit puede quedar indeterminada, en la llamada “superposición” que da peso a ambas posibilidades. Para realizar un cálculo, los qubits se vinculan mediante el fenómeno llamado entrelazamiento cuántico, que hace que sus posibles estados sean interdependientes. Un algoritmo cuántico particular podría exigir una sucesión de entrelazamientos entre diferentes conjuntos de qubits, y la respuesta se lee al final del cálculo cuando se realiza una medición, colapsando cada superposición hasta un 1 o 0 definido.

La idea de utilizar los estados cuánticos de átomos neutros para codificar información de esta manera fue propuesto a principios de la década de 2000 por el físico de Harvard Mikhail Lukin y colegas, y también por un grupo encabezado por Iván Deutsch de la Universidad de Nuevo México. Durante mucho tiempo, la comunidad investigadora en general estuvo de acuerdo en que la computación cuántica de átomos neutros era una gran idea en principio, dijo Lukin, pero que “simplemente no funciona” en la práctica.

"Pero 20 años después, los otros enfoques no han cerrado el trato", dijo Saffman. "Y el conjunto de habilidades y las técnicas necesarias para hacer que los átomos neutros funcionen han ido evolucionando gradualmente hasta el punto en que parecen muy prometedoras".

El laboratorio de Lukin en Harvard ha estado entre los que lideran el camino. En diciembre, él y sus colegas reportaron que crearon circuitos cuánticos programables con cientos de qubits de átomos neutros y realizaron cálculos cuánticos y corrección de errores con ellos. Y este mes, un equipo del Instituto de Tecnología de California reportaron que formaron una serie de 6,100 qubits atómicos. Estos resultados están ganando cada vez más adeptos a este enfoque.

"Hace diez años no habría incluido estos métodos [de átomos neutros] si estuviera cubriendo apuestas sobre el futuro de la computación cuántica", dijo Andrés Steane, teórico de la información cuántica de la Universidad de Oxford. "Eso habría sido un error".

Batalla de Qubits

Una cuestión clave en la competencia entre tipos de qubit es cuánto tiempo cada tipo de qubit puede mantener su superposición antes de ser alterado por alguna fluctuación aleatoria (por ejemplo, térmica). Para qubits superconductores como los de IBM y Google, este “tiempo de coherencia” suele ser de alrededor de un milisegundo en el mejor de los casos. Todos los pasos de un cálculo cuántico deben ocurrir dentro de ese marco de tiempo.

Una ventaja de codificar información en los estados de átomos individuales es que sus tiempos de coherencia suelen ser mucho más largos. Además, a diferencia de los circuitos superconductores, los átomos de un tipo determinado son todos idénticos, por lo que no se necesitan sistemas de control personalizados para introducir y manipular estados cuánticos sutilmente diferentes.

Y mientras que el cableado utilizado para conectar qubits superconductores en circuitos cuánticos puede volverse terriblemente complicado (más aún a medida que el sistema crece), no se necesita cableado en el caso de los átomos. Todo el enredo se realiza mediante luz láser.

Este beneficio inicialmente presentó un desafío. Existe una tecnología bien desarrollada para crear circuitos y cables microelectrónicos complicados, y una razón probable por la que IBM y Google invirtieron inicialmente en qubits superconductores no es porque fueran obviamente los mejores, sino porque requerían el tipo de circuito al que están acostumbradas esas empresas, dijo stuart adams, físico de la Universidad de Durham en el Reino Unido que trabaja en computación cuántica de átomos neutros. “La óptica atómica basada en láser les parecía totalmente desconocida. Toda la ingeniería es completamente diferente”.

Los qubits hechos de átomos cargados eléctricamente, conocidos como iones, también pueden controlarse con luz, y durante mucho tiempo se consideró que los iones eran mejores candidatos a qubit que los átomos neutros. Debido a su carga, los iones son relativamente fáciles de atrapar en campos eléctricos. Los investigadores han creado trampas de iones suspendiendo los iones en una pequeña cavidad de vacío a temperaturas ultrabajas (para evitar oscilaciones térmicas) mientras los rayos láser los cambian entre diferentes estados de energía para manipular la información. Ya se han demostrado computadoras cuánticas con trampa de iones con docenas de qubits, y varias empresas emergentes están desarrollando la tecnología para su comercialización. "Hasta ahora, el sistema con mayor rendimiento en términos de fidelidad, control y coherencia han sido los iones atrapados", dijo Saffman.

Atrapar átomos neutros es más difícil porque no hay carga a la que aferrarse. En cambio, los átomos quedan inmovilizados dentro de campos de luz intensa creados por rayos láser, llamados pinzas ópticas. Los átomos suelen preferir sentarse donde el campo de luz es más intenso.

Y hay un problema con los iones: todos tienen una carga eléctrica del mismo signo. Eso significa que los qubits se repelen entre sí. Meter muchos de ellos en el mismo espacio pequeño se vuelve más difícil cuanto más iones hay. Con los átomos neutros, no existe tal tensión. Esto, dicen los investigadores, hace que los qubits de átomos neutros sean mucho más escalables.

Es más, los iones atrapados están dispuestos en una fila (o, recientemente, en un bucle).pista”). Esta configuración hace que sea difícil entrelazar un qubit de iones con otro que esté, digamos, en 20 lugares a lo largo de la fila. "Las trampas de iones son inherentemente unidimensionales", dijo Adams. "Hay que organizarlos en una línea, y es muy difícil ver cómo llegar a mil qubits de esa manera".

Las matrices de átomos neutros pueden ser una cuadrícula bidimensional, que es mucho más fácil de ampliar. "Puedes poner muchos en el mismo sistema y no interactúan cuando no lo deseas", dijo Saffman. Su grupo y otros han atrapado más de 1,000 átomos neutros de esta manera. "Creemos que podemos empaquetar decenas o incluso cientos de miles en un dispositivo de escala centimétrica", dijo.

De hecho, en su trabajo reciente, el equipo de Caltech creó una matriz de pinzas ópticas de aproximadamente 6,100 átomos de cesio neutros, aunque todavía no han realizado ningún cálculo cuántico con ellos. Estos qubits también tuvieron tiempos de coherencia de la friolera de 12.6 segundos, un récord hasta ahora para este tipo de qubit.

El bloqueo de Rydberg

Para que dos o más qubits se enreden, es necesario que interactúen entre sí. Los átomos neutros “sienten” la presencia de los demás a través de las llamadas fuerzas de van der Waals, que surgen de la forma en que un átomo responde a las fluctuaciones en la nube de electrones de otro átomo cercano. Pero estas débiles fuerzas sólo se sienten cuando los átomos están extremadamente juntos. Manipular átomos normales con la precisión requerida utilizando campos de luz simplemente no se puede hacer.

Como señalaron Lukin y sus colegas en su propuesta original allá por el año 2000, la distancia de interacción puede aumentar drásticamente si aumentamos el tamaño de los propios átomos. Cuanta más energía tiene un electrón, más tiende a alejarse del núcleo atómico. Si se utiliza un láser para bombear un electrón a un estado de energía mucho mayor que el que normalmente se encuentra en los átomos (llamado estado de Rydberg en honor al físico sueco Johannes Rydberg, quien en la década de 1880 estudió la forma en que los átomos emiten luz en longitudes de onda discretas), el electrón puede alejarse miles de veces del núcleo de lo habitual.

Este aumento de tamaño permite que dos átomos separados por varios micrómetros (perfectamente factible en trampas ópticas) interactúen.

Para implementar un algoritmo cuántico, los investigadores primero codifican información cuántica en un par de niveles de energía atómica, utilizando láseres para cambiar electrones entre los niveles. Luego entrelazan los estados de los átomos activando las interacciones de Rydberg entre ellos. Un átomo determinado puede excitarse a un estado de Rydberg o no, dependiendo de en cuál de los dos niveles de energía se encuentre su electrón; solo uno de ellos tiene la energía adecuada para resonar con la frecuencia del láser de excitación. Y si el átomo está interactuando actualmente con otro, esta frecuencia de excitación cambia ligeramente para que el electrón no resuene con la luz y no pueda dar el salto. Esto significa que sólo uno u otro de un par de átomos que interactúan puede mantener un estado de Rydberg en cualquier momento; sus estados cuánticos están correlacionados o, en otras palabras, entrelazados. Este llamado bloqueo de Rydberg, en primer lugar propuesto por Lukin y sus colegas en 2001 como una forma de entrelazar los qubits de átomos de Rydberg, es un efecto de todo o nada: o hay un bloqueo de Rydberg o no lo hay. "El bloqueo de Rydberg hace que las interacciones entre átomos sean digitales", dijo Lukin.

Al final del cálculo, los láseres leen los estados de los átomos: si un átomo está en el estado que resuena con la iluminación, la luz se dispersa, pero si está en el otro estado, no hay dispersión.

En 2004, un equipo de la Universidad de Connecticut demostrado un bloqueo de Rydberg entre átomos de rubidio, atrapados y enfriados a sólo 100 microkelvins por encima del cero absoluto. Enfriaron los átomos usando láseres para "succionar" la energía térmica de los átomos. Este enfoque significa que, a diferencia de los qubits superconductores, los átomos neutros no requieren refrigeración criogénica ni refrigerantes engorrosos. Por lo tanto, estos sistemas pueden hacerse muy compactos. "El aparato en su conjunto está a temperatura ambiente", dijo Saffman. "A un centímetro de estos átomos súper fríos, tienes una ventana de temperatura ambiente".

En 2010, Saffman y sus compañeros de trabajo reportaron la primera puerta lógica, un elemento fundamental de las computadoras, en el que una o más señales de entrada binarias generan una salida binaria particular, está hecha de dos átomos utilizando el bloqueo de Rydberg. Luego, y de manera crucial, en 2016, el equipo de Lukin y los grupos de investigación en Francia y Corea del Sur independientemente descubierto cómo cargar muchos átomos neutros en conjuntos de trampas ópticas y moverlas a voluntad. "Esta innovación trajo nueva vida al campo", dijo Stephan Durr del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, Alemania, que utiliza átomos de Rydberg para experimentos de procesamiento de información cuántica basada en la luz.

Gran parte del trabajo realizado hasta ahora utiliza átomos de rubidio y cesio, pero el físico Jeff Thompson de la Universidad de Princeton prefiere codificar la información en los estados de espín nuclear de átomos metálicos como el estroncio y el iterbio, que tienen tiempos de coherencia aún más largos. En octubre pasado, Thompson y sus colegas reportaron puertas lógicas de dos qubits fabricadas a partir de estos sistemas.

Y los bloqueos de Rydberg no tienen por qué ser entre átomos solitarios. El verano pasado, Adams y sus compañeros de trabajo mostró que podían crear un bloqueo de Rydberg entre un átomo y una molécula atrapada, que hicieron artificialmente usando pinzas ópticas para acercar un átomo de cesio a un átomo de rubidio. La ventaja de los sistemas híbridos átomo-molécula es que los átomos y las moléculas tienen energías muy diferentes, lo que podría facilitar la manipulación de uno sin afectar a los demás. Es más, los qubits moleculares pueden tener tiempos de coherencia muy largos. Adams enfatiza que estos sistemas híbridos están al menos 10 años por detrás de los sistemas totalmente atómicos, y aún no se ha logrado el entrelazamiento de dos de esos qubits. "Los sistemas híbridos son realmente difíciles", dijo Thompson, "pero probablemente nos veremos obligados a utilizarlos en algún momento".

Qubits de alta fidelidad

Ningún qubit es perfecto: todos pueden incurrir en errores. Y si no se detectan ni se corrigen, alteran el resultado del cálculo.

Pero un gran obstáculo para toda la computación cuántica es que los errores no pueden identificarse y corregirse como lo hacen en las computadoras clásicas, donde un algoritmo simplemente realiza un seguimiento de los estados en los que se encuentran los bits haciendo copias. La clave de la computación cuántica es que los estados de los qubits quedan indeterminados hasta que se lee el resultado final. Si intenta medir esos estados antes de ese punto, finaliza el cálculo. Entonces, ¿cómo se pueden proteger los qubits de errores que ni siquiera podemos monitorear?

Una respuesta es distribuir la información entre muchos qubits físicos (constituyendo un único "qubit lógico") para que un error en uno de ellos no corrompa la información que codifican colectivamente. Esto sólo resulta práctico si el número de qubits físicos necesarios para cada qubit lógico no es demasiado grande. Esa sobrecarga depende en parte del algoritmo de corrección de errores que se utilice.

Se han demostrado qubits lógicos con corrección de errores con qubits superconductores y de iones atrapados, pero hasta hace poco no estaba claro si se pueden fabricar a partir de átomos neutros. Eso cambió en diciembre, cuando el equipo de Harvard reveló conjuntos de varios cientos de átomos de rubidio atrapados y ejecutó algoritmos en 48 qubits lógicos, cada uno hecho de siete u ocho átomos físicos. Los investigadores utilizaron el sistema para realizar una operación lógica simple llamada puerta NOT controlada, en la que los estados 1 y 0 de un qubit se invierten o se dejan sin cambios dependiendo del estado de un segundo qubit de "control". Para realizar los cálculos, los investigadores movieron los átomos entre tres regiones distintas en la cámara de captura: una matriz de átomos, una región de interacción (o "zona de puerta") donde átomos específicos fueron arrastrados y entrelazados usando el bloqueo de Rydberg, y una zona de lectura. . Todo es posible, dijo Adams, porque "el sistema Rydberg te ofrece toda esta capacidad de mezclar qubits y decidir quién interactúa con quién, lo que te da una flexibilidad que los qubits superconductores no tienen".

El equipo de Harvard demostró técnicas de corrección de errores para algunos algoritmos simples de qubits lógicos, aunque para los más grandes, con 48 qubits lógicos, simplemente lograron la detección de errores. Según Thompson, esos últimos experimentos demostraron que "pueden rechazar preferentemente los resultados de medición con errores y, por lo tanto, identificar un subconjunto de resultados con menores errores". Este enfoque se llama post-selección y, si bien puede desempeñar un papel en la corrección de errores cuánticos, por sí solo no resuelve el problema.

Los átomos de Rydberg podrían prestarse a nuevos códigos de corrección de errores. El utilizado en el trabajo de Harvard, llamado código de superficie, “es muy popular pero también muy ineficiente”, dijo Saffman; tiende a requerir muchos qubits físicos para crear un qubit lógico. Otros códigos de corrección de errores propuestos, más eficientes, requieren interacciones de mayor alcance entre qubits, no solo pares de vecinos más cercanos. Los practicantes de la computación cuántica de átomos neutros creen que las interacciones de Rydberg de largo alcance deberían estar a la altura de la tarea. "Soy extremadamente optimista en cuanto a que los experimentos que se realizarán en los próximos dos o tres años nos mostrarán que los gastos generales no tienen por qué ser tan malos como la gente pensaba", dijo Lukin.

Aunque todavía queda mucho por hacer, Steane considera que el trabajo de Harvard es "un cambio radical en el grado en que se han realizado protocolos de corrección de errores en el laboratorio".

Girando

Avances como estos hacen que los qubits de átomos de Rydberg estén a la altura de sus competidores. "La combinación de puertas de alta fidelidad, la gran cantidad de qubits, mediciones de alta precisión y conectividad flexible nos permite considerar la matriz de átomos de Rydberg como un verdadero competidor de los qubits superconductores y de iones atrapados", dijo Steane.

En comparación con los qubits superconductores, la tecnología supone una fracción del coste de inversión. El grupo Harvard tiene una empresa derivada llamada Quera, que ya ha fabricado un procesador cuántico Rydberg de 256 qubits llamado Águila – un “simulador cuántico” analógico que puede ejecutar simulaciones de sistemas de muchas partículas cuánticas — disponible en la nube en asociación con la plataforma de computación cuántica Braket de Amazon. QuEra también está trabajando para avanzar en la corrección de errores cuánticos.

Saffman se unió a una empresa llamada Inflexión, que desarrolla la plataforma óptica de átomo neutro para sensores y comunicaciones cuánticos, así como para la computación cuántica. "No me sorprendería que una de las grandes empresas de TI se asocie pronto con una de estas empresas derivadas", dijo Adams.

"Realizar una corrección de errores escalable con qubits de átomos neutros es definitivamente posible", dijo Thompson. "Creo que 10,000 qubits de átomos neutros son claramente posibles en unos pocos años". Más allá de eso, cree que las limitaciones prácticas en la potencia y resolución del láser requerirán diseños modulares en el que varios conjuntos de átomos distintos están unidos entre sí.

Si eso sucede, ¿quién sabe qué resultará de ello? "Ni siquiera sabemos todavía qué podemos hacer con la computación cuántica", dijo Lukin. "Realmente espero que estos nuevos avances nos ayuden a responder estas preguntas".