Qubits superconductores: la clave de la computación cuántica moderna
Los qubits superconductores destacan por su escalabilidad y precisión en computación cuántica.
Las uniones Josephson y las estrategias para combatir el ruido son determinantes en su desarrollo.
La computación cuántica basada en qubits superconductores ya supera capacidades de superordenadores clásicos.
El mundo de la computación cuántica está viviendo una auténtica revolución, y entre los protagonistas de esta nueva era tecnológica brillan con luz propia los qubits superconductores. Aunque durante años la informática convencional ha marcado el camino, la llegada de estos conceptos, nacidos de la física más avanzada, promete transformar de manera profunda la forma en que procesamos información, resolvemos problemas complejos y desarrollamos nuevas tecnologías.
Hablar de qubits superconductores es hablar de una de las plataformas más robustas, escalables y prometedoras de toda la computación cuántica. Grandes empresas como Google e IBM están invirtiendo fuertemente en esta tecnología, mientras que universidades y centros de investigación en todo el mundo trabajan para superar los desafíos de su implementación real. La lucha por mejorar la coherencia, reducir el ruido y conseguir sistemas estables y a gran escala es hoy más apasionante que nunca.
¿Qué son los qubits y en qué se diferencian de los bits clásicos?
Para comprender el papel crucial de los qubits superconductores, es fundamental aclarar primero la diferencia entre un qubit y un bit clásico. En la informática tradicional, un bit solo puede representar dos estados: 0 o 1. Sin embargo, un qubit, la unidad fundamental en la computación cuántica, aprovecha fenómenos como la superposición y el entrelazamiento para existir en una combinación de ambos estados simultáneamente.
Este fenómeno de superposición permite que un conjunto de qubits represente una cantidad exponencialmente mayor de estados en comparación con el mismo número de bits tradicionales. Por ejemplo, mientras que tres bits convencionales alcanzan solo ocho combinaciones posibles, tres qubits pueden representar de forma conjunta todas esas combinaciones. Esta capacidad potencia cálculos paralelos, ideal para resolver problemas que serían inabordables para los ordenadores convencionales.
Además, los qubits se pueden fabricar a partir de diferentes sistemas físicos: iones atrapados, fotones, átomos y, muy especialmente en los últimos años, circuitos superconductores. Cada plataforma ofrece ventajas y desafíos específicos, pero los superconductores se han impuesto en la carrera por la escalabilidad y la producción en masa.
La representación visual y física de los qubits
Una forma habitual de visualizar el estado de un qubit es mediante la esfera de Bloch. En ella, los polos norte y sur representan los estados 0 y 1, mientras que cualquier punto en la superficie indica una superposición de ambos. La posición del qubit en la esfera se controla con señales de microondas, que permiten rotarlo y modificar su estado con gran precisión.
La esfera de Bloch resulta especialmente útil para entender cómo las operaciones sobre qubits requieren una precisión extraordinaria. Pequeños errores en la amplitud o fase de un impulso de microondas pueden conducir a resultados erróneos, por lo que el sistema de control debe estar perfectamente calibrado para garantizar la fiabilidad de los cálculos.
Diversidad de qubits: superconductores y otras alternativas
Existen varias tecnologías para implementar qubits, cada una con propiedades particulares:
Qubits de trampa iónica: Utilizan iones controlados por campos electromagnéticos, con alta fidelidad pero desafíos en escalabilidad.
Qubits de fotón: Basados en estados cuánticos de la luz, útiles en criptografía y comunicaciones a larga distancia.
Qubits topológicos: Una propuesta emergente que promete mayor resistencia al ruido y mayor estabilidad, aunque todavía está en fase experimental.
Qubits superconductores: Fabricados con materiales superconductores, que, enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto, permiten circulación sin resistencia de la corriente. Esta plataforma es la preferida por gigantes como Google y IBM debido a su potencial de escalabilidad y producción industrial.
Hoy en día, los qubits superconductores lideran el desarrollo de ordenadores cuánticos comerciales, y los avances recientes evidencian su impresionante potencial tanto en computación general como en tareas específicas, como simulaciones químicas y optimización.
¿Cómo funcionan los qubits superconductores?
El núcleo de los qubits superconductores reside en circuitos integrados donde la corriente circula sin resistencia, gracias a la superconductividad. Estos circuitos suelen estar formados por anillos metálicos interrumpidos por uniones Josephson, que permiten o bloquean el paso de corriente dependiendo de parámetros cuánticos.
La unión Josephson funciona como una puerta que conecta dos regiones superconductoras separadas por una barrera aislante delgada. Aquí, la carga eléctrica puede atravesar mediante efecto túnel, creando un sistema cuántico de dos niveles apto para codificar información binaria cuántica.
Entre los diferentes tipos de qubits superconductores, los más relevantes son:
Qubit de carga: Basado en la presencia o ausencia de pares de Cooper en un pequeño islote superconductivo.
Qubit de flujo (flux qubit): Aprovecha la dirección de la corriente persistente en un lazo superconductivo.
Transmon: Variante del qubit de carga, menos sensible al ruido, ampliamente utilizada en arquitecturas modernas.
Control y manipulación de qubits superconductores
El control de los estados de los qubits superconductores se realiza principalmente mediante señales de microondas con calibración precisa. La aplicación de estos impulsos provoca rotaciones en la esfera de Bloch, según la duración, amplitud y fase del pulso. Para ello, se emplean instrumentos como generadores de formas de onda y mezcladores que modulan los parámetros en tiempo real.
Incluso pequeñas desviaciones en la calibración pueden generar errores en los cálculos cuánticos. Por ello, la estabilidad de fase, el control exacto de cada impulso y la fidelidad de los instrumentos electrónicos son fundamentales para el rendimiento de un procesador cuántico basado en qubits superconductores.
Retos clave: decoherencia y ruido ambiental
Uno de los principales obstáculos en todos los sistemas cuánticos, incluidos los superconductores, es la decoherencia. Se refiere a la pérdida paulatina de propiedades cuánticas debido a la interacción con el entorno, limitando el tiempo útil de operación de cada qubit y la complejidad de los algoritmos que se pueden ejecutar.
Para los qubits superconductores, la decoherencia es provocada por ruido ambiental, fluctuaciones electromagnéticas y defectos en los materiales. A medida que se aumenta el número de qubits, estos problemas se agravan y pueden generar errores acumulados.
Para afrontar estos retos, los investigadores están desarrollando diversas estrategias:
Mejora de materiales y diseños: Uso de materias más puras y nuevas arquitecturas para reducir el ruido.
Corrección de errores cuánticos: Implementación de algoritmos de redundancia y técnicas de protección para mantener la integridad de la información.
Uniones Josephson multiterminales: Investigaciones recientes, como las de la UAM y el Instituto Balseiro, trabajan en uniones con múltiples terminales para crear qubits más resistentes a las fluctuaciones y errores.
Qubits híbridos: Combinaciones como el Transmon y Fluxonium, o nuevos diseños como el Josephson-Andreev transmon (JAmon), que exploran interacciones entre grados bosónicos y fermiónicos para ofrecer mayor protección contra el ruido.
Ejemplo práctico: el avance de Google con su procesador Willow
El desarrollo más destacado recientemente ha sido protagonizado por Google. Su procesador Willow, equipado con 65 qubits superconductores, logró realizar cálculos de física cuántica unas 13.000 veces más rápidos que el superordenador clásico más potente, según publicó la revista Nature. Willow demostró que, al incrementar los qubits, el sistema mejora su capacidad de corrección de errores en lugar de incrementar los errores como antes.
Este avance no solo implica mayor velocidad, sino que marca el inicio de la «ventaja cuántica práctica»: el momento en que los ordenadores cuánticos pueden resolver problemas que resultan imposibles incluso para los superordenadores tradicionales. El algoritmo Quantum Echoes, desarrollado por Google, permite medir fenómenos de interferencia cuántica que la informática clásica no puede reproducir.
Con procesadores como Willow, ya se aplican estos avances en áreas como diseño de materiales, química computacional, biología molecular o investigación de nuevas fuentes de energía limpia. Google trabaja junto a farmacéuticas como Boehringer Ingelheim y empresas químicas como BASF para acelerar el desarrollo de nuevos medicamentos y materiales.
El papel fundamental de la unión Josephson y los nuevos diseños de circuitos
La unión Josephson constituye el núcleo de la mayoría de los qubits superconductores. Esta unión permite la transmisión «cuántica» de corriente entre dos regiones superconductoras, facilitando la manipulación de estados cuánticos y la generación de superposiciones y entrelazamientos.
Recientemente, la investigación se ha orientado hacia uniones Josephson multiterminales, capaces de conectar más de dos contactos y crear circuitos híbridos con propiedades de protección mejoradas. Estas estructuras, fabricadas mediante técnicas como la litografía sobre semiconductores bidimensionales recubiertos de superconductor, abren nuevas posibilidades para qubits más resistentes a fluctuaciones energéticas y transiciones indeseadas entre estados.
El control sobre estos diseños, la hibridación con estados de Andreev y la integración de diversos grados de libertad permiten explorar caminos innovadores para extender los tiempos de coherencia, elemento crucial para la computación cuántica práctica y universal.
Aplicaciones presentes y futuras de los qubits superconductores
El potencial de los qubits superconductores abarca un amplio espectro de aplicaciones:
Simulación de moléculas complejas: Permite modelar en minutos sistemas químicos y biológicos que actualmente tomarían años de cálculo clásico, revolucionando la investigación en fármacos y materiales.
Optimización logística: Gracias a su capacidad de procesar muchas combinaciones en paralelo, los algoritmos cuánticos encuentran soluciones óptimas en rutas, cadenas de suministro y asignaciones de manera muy eficiente.
Desarrollo de nuevos fármacos: La colaboración con empresas farmacéuticas permite predecir interacciones moleculares en el cuerpo humano, acelerando la innovación médica.
Transición energética: Modelado de materiales para baterías avanzadas, más sostenibles y eficientes.
Fusión nuclear: Simulación de reacciones y diseño de reactores que podrían conducir a una energía limpia y prácticamente infinita.
Criptografía cuántica y comunicaciones seguras: El entrelazamiento y la transmisión segura de qubits sustentan las futuras redes cuánticas globales.
Proyectos internacionales y colaboraciones
Asimismo, numerosos proyectos de investigación públicos están en marcha. El SQUBIT, financiado por la Unión Europea, ha desarrollado métodos no destructivos para medir qubits de flujo y estudiar cómo la decoherencia impacta estos sistemas. Desde espectroscopía hasta detectores basados en interferómetros de corriente continua (DC-SQUID), estos avances permiten comprender mejor la física cuántica aplicada.
Al mismo tiempo, universidades y centros como la UAM y el siguen investigando nuevas estrategias para diseñar circuitos superconductores más resistentes al ruido, combinando diferentes tipos de qubits y creando circuitos híbridos.
Aspectos técnicos y desafíos actuales
Las investigaciones avanzadas indican que la decoherencia en qubits superconductores está estrechamente relacionada con la calidad de las uniones Josephson y con efectos de memoria que los modelos estándar, como la aproximación de Born-Markov, no reflejan completamente. Técnicas como la time convolutionless (TCL) ofrecen análisis profundos sobre la dinámica no-Markoviana, ayudando a medir la desviación entre el estado ideal y el real, afectado por disipación.
La fabricación de estos sistemas requiere tecnologías de litografía de alta precisión, control en la deposición de materiales y un conocimiento profundo de la física de semiconductores y superconductores. Aunque existen estos desafíos, los avances logrados en los últimos años muestran que la evolución de los qubits superconductores continúa con paso firme.
Perspectivas y futuro: ¿dónde nos llevan los qubits superconductores?
El desarrollo de la computación cuántica basada en qubits superconductores se ha convertido en uno de los principales impulsores de la revolución tecnológica actual. Para ampliar conocimientos sobre estos avances, te recomendamos consultar el artículo sobre la computación cuántica adiabática.
Este campo permite explorar los fundamentos de la física, resolver problemas de optimización y simulación que antes parecían inalcanzables, y abre camino a innovaciones en comunicación, energía y salud que cambiarán nuestro modo de vida.
El progreso en superar los retos técnicos y en controlar conjuntos cada vez mayores de qubits con menos errores acerca la posibilidad de que los ordenadores cuánticos sean herramientas esenciales, no solo una promesa futura, sino una realidad que transformará la ciencia y la sociedad.
Con la colaboración global en el ámbito científico y la inversión industrial en innovación, los qubits superconductores no solo expanden las capacidades de cálculo, sino que redefinen la forma en que entendemos y transformamos el mundo a través de la tecnología.
