Metamateriales, la nueva puerta a la computación cuántica

Los más devotos de la física cuántica y de su potencial en la computación llevan un tiempo ganando apuestas. Adán Cabello, de la Universidad de Sevilla, ya tiene apalabrada una cena en Roma por haber augurado hace una década el reciente premio Nobel. Por el contrario, el investigador español asentado en Austria Miguel Navascués perdió hace cuatro años 50 euros en hamburguesas porque no esperaba el control de 50 cúbits (elemento básico de la computación cuántica) antes de 2050. El tiempo ha dado la razón a los más optimistas, pero esta ciencia sigue afrontando desafíos fundamentales: aumentar la capacidad de los ordenadores y reducir los errores. El murciano Alejandro González Tudela, investigador científico en el Instituto de Física Fundamental del CSIC, a sus 37 años, se ha propuesto abrir una nueva puerta para intentar solventarlos: combinar las inéditas capacidades de los metamateriales (estructuras diseñadas con características inusuales) con las propiedades cuánticas de la luz. Su trabajo le ha valido una beca Leonardo de la Fundación BBVA, dotadas con hasta 40.000 euros por proyecto. El total de ayudas desde la creación del programa, en 2014, ha sido de 20 millones.

En computación convencional, la unidad básica de información es el bit, que puede tener dos valores: 0 y 1. Las combinaciones de estos ya da una capacidad extraordinaria. Pero en computación cuántica, el elemento fundamental es el cúbit (quantum bit), un sistema cuántico que puede encontrarse en dos estados (0 y 1) o en cualquier superposición de ellos. La consecuencia es que el uso de cúbits permite trillones de combinaciones de bits y por lo tanto, infinitas posibilidades de computación. Según escribe Alberto Casas, investigador del CSIC y autor de La revolución cuántica (Ediciones B, 2022), “un ordenador cuántico de 273 cúbits tendrá más memoria que átomos tiene el universo observable”.

El problema es que esa propiedad cuántica de la superposición es por ahora esquiva y estable solo durante poco tiempo. Cualquier mínima circunstancia del entorno (temperatura, ruido electromagnético o vibración) la degrada e imposibilita la computación efectiva cuántica, realizar cálculos prácticos a gran escala de forma robusta. Este efecto se conoce como decoherencia.

Una reciente investigación, publicada en Nature Physics por científicos de Reino Unido y de las universidades de Arizona (EE UU) y Zhejiang (China), ha utilizado un procesador superconductor programable con 30 cúbits y demostrado que “pueden ajustarse para interactuar entre sí mientras se mantiene la coherencia durante un tiempo sin precedentes”. También se utiliza la corrección de errores, pero esta técnica exige afrontar uno de los desafíos de la computación cuántica: aumentar significativamente el número de cúbits.

La vía que investiga González Tudela va en una dirección novedosa: usar metamateriales, estructuras diseñadas con propiedades inusuales, para crear dispositivos cuánticos con más cúbits sin aumentar los niveles de error. “En estos metamateriales”, según explica el investigador, “se modulan sus propiedades por debajo de la longitud de onda para conseguir respuestas tan exóticas como que un material sea invisible o que focalicen la luz más allá de los límites”.

“La hipótesis de partida”, según precisa el investigador del CSIC, “se fundamenta en que la luz tiene una coherencia muy buena [preserva fácilmente sus propiedades cuánticas], por lo que el objetivo es explotar estas respuestas muy fuertes que tienen los materiales con la luz para mejorar las fidelidades”.

Ventaja y desventaja

La idea es aprovechar esa capacidad de la luz para mantener sus propiedades cuánticas, ya que interactúa muy poco con el ambiente. Sin embargo, el mismo investigador admite que esta característica es, al mismo tiempo una desventaja: “Es difícil de manipular”.

Ahí es donde entra su investigación sobre metamateriales, que ha avanzado en los últimos dos años tras el diseño de una red de átomos separados por distancias muy cortas que permite aprovechar el comportamiento cuántico de la luz.

“Al colocar los átomos a distancias muy pequeñas, se comportan de manera colectiva y pueden tener interacciones muy fuertes con la luz”, explica González Tudela. De esta forma, el investigador pretende avanzar en el control de la luz con el uso de metamateriales y así sortear esa desventaja que supone la difícil manipulación de las partículas con un comportamiento cuántico más coherente.

El objetivo final es que ese hardware (elemento físico o material de las computadoras y sistemas informáticos) resuelva el problema de escalabilidad, la construcción de un ordenador cuántico con mayor número de cúbits y menos errores.

“Es interesante”, comenta González Tudela, “explorar paradigmas alternativos. No digo que mi propuesta vaya a ser la que resuelva el problema, que suponga el gran cambio o la plataforma definitiva. Ahora mismo, las mejores las implementaciones son iones atrapados en circuitos superconductores, pero también hay tecnología cuántica basada en fotones. Quizás, el gran salto adelante venga de una cosa que está fuera del radar o de una mezcla”.

Pero este investigador resalta la necesidad de abrir nuevos caminos como el que ha obtenido la beca Leonardo. De la misma opinión es Alberto Casas, quien escribe: “El futuro de la computación cuántica es una incógnita, pero, indudablemente, merece la pena explorarlo”.

Este valor potencial de la computación cuántica no es resolver los problemas factoriales como los planteados hasta ahora más para poner a prueba el sistema que como aplicación práctica. Ni siquiera para responder a preguntas logísticas como ¿cuál es la mejor ruta para unir ciudades? Las mayores esperanzas de esta tecnología son, según explica González Tudela, además de la criptografía, que permitiría una comunicación segura, “ciertos problemas de física o de química”. “Son las cuestiones de muchos cuerpos, con muchos elementos que interaccionan entre ellos y que son difíciles de resolver en ordenadores clásicos”, comenta.

En este sentido, el investigador señala la “ventaja exponencial” que supondrá la computación cuántica para la industria farmacéutica, en la búsqueda de terapias personalizadas. Y añade: “Puede ser que se encuentren otros problemas que ahora mismo no se sabe que podrían tener una ventaja cuántica o que se desarrollen aplicaciones que ahora no se piensan”.

Cerebros cuánticos

En este sentido, científicos del Trinity College de Dublín han publicado una investigación en Journal of Physics Communications tras la que creen haber descubierto que los cerebros, la consciencia y los procesos de memoria a corto plazo muestran comportamientos cuánticos. “Los procesos cerebrales cuánticos podrían explicar por qué todavía podemos superar a las supercomputadoras cuando se trata de circunstancias imprevistas, toma de decisiones o aprendizaje de algo nuevo”, afirma Christian Kerskens, coautor del artículo y miembro del Instituto de Neurociencia de la universidad irlandesa. Según los investigadores, “si se confirmaran los resultados, probablemente con enfoques multidisciplinarios avanzados, mejoraría la comprensión general de cómo funciona el cerebro y ayudaría a encontrar tecnologías innovadoras y construir computadoras cuánticas aún más avanzadas”.

España se mantiene en la carrera cuántica no sólo en investigación básica sino también en los desarrollos tecnológicos. El Barcelona Supercomputing Center - Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS) ha sido seleccionado para formar parte del consorcio de supercomputación de la UE, la European High Performance Computing Joint Undertaking, para albergar y operar los primeros ordenadores cuánticos EuroHPC. La nueva infraestructura se instalará y se integrará en el superordenador MareNostrum 5, el más potente de España y de los más avanzados de Europa. La inversión para esta parte del programa QuantumSpain será de 12,5 millones de euros, cofinanciados al 50% por la UE y la Secretaría de Estado de Digitalización e Inteligencia Artificial (SEDIA). “Esta nueva infraestructura, que integrará la computación cuántica con MareNostrum 5, nos permitirá avanzar en múltiples aplicaciones académicas”, afirma Mateo Valero, director del BSC-CNS en un comunicado de la institución. Las instalaciones de Barcelona conformarán una red con los superordenadores de Alemania, Chequia, Francia, Italia y Polonia para atender la creciente demanda de recursos de computación cuántica y nuevos servicios potenciales por parte de la industria y la investigación europeas en ámbitos como la salud, el cambio climático, la logística o el uso de la energía.

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