El ENGAO del Ordenador Cuántico de Microsoft

• Un patrocinador menos.
• ¿Cuándo tendremos un ordenador cuántico útil capaz de resolver problemas del mundo real?
• Según Microsoft, en cuestión de tan solo unos años.
• Esto ha sido más marketing que ciencia.
• Lo resolveremos en un momento.

Un patrocinador menos. ¿Cuándo tendremos un ordenador cuántico útil capaz de resolver problemas del mundo real? Según Microsoft, en cuestión de tan solo unos años. Y es que hace un par de meses presentaron un anuncio bomba sobre el primer chip basado en qubits topológicos. Según ellos, claro, porque no creo que tengan un ordenador cuántico topológico. Esto ha sido más marketing que ciencia.

A día de hoy nadie ha detectado un modo de Majoranna. ¡Ellos tampoco! O al menos no lo han demostrado. Vamos a contar la física de verdad en todo esto. ¿Qué son los qubits topológicos? ¿Por qué serían revolucionarios? ¿Qué es esto de los marananas? ¿Y qué es lo que tiene a los expertos tan mosqueados? Lo resolveremos en un momento.

Pero antes digamos que quisiera programar una calculadora cuántica que tenga un bit cuántico que pueda elegir como quiera y que pueda aplicarle puertas lógicas. ¿Difícil de entender y de hacer? Pues ojo, porque vamos a pedírselo a Hostinger Horizons.

Haz una calculadora donde pueda introducir el estado cuántico de un qubit, pueda aplicar sobre él medidas en x, en y y en z. Y la puerta Hadamar? ¡Venga, por qué no! Yo entiendo que esto es un reto. Vamos a ver qué hace.

Mira, parece que ha tenido un error de sintaxis y ya lo está corrigiendo el mismo. Fíjate qué barbaridad. Este alfa es cuánto quieres que esté en cero y cuánto quieres que esté en uno. ¿Cómo haces tú esa mezcla? Por ejemplo, ahora está totalmente en cero. Y fijaos, mira, cuando está totalmente en cero me pone la probabilidad de medir cero es del 100%.

¿Pero claro, qué pasa si mido en x? Pues que es 50%, loco me he quedado. A ver, tampoco te está permitiendo poner coeficientes complejos. Eso también es una limitación. Perfecto. Pues seguramente no. Esto tendrá sus bugs y sus cosas, pero nos comen las máquinas.

Y es que sobre todo es que no he hecho nada. No he programado, no hemos programado nada. Mira, aquí en este botoncito puedo exportar el código y ver cómo lo ha hecho. Además, esto serviría como para aprender.

Está guay porque te dan los numeritos, pero molaría que te enseñara la esfera de Bloch. Es decir, que con una flecha te apuntara gráficamente cómo está el estado cuántico. Mira, y ahí lo tienes.

Y ahí tienes la esfera de Bloch. Mira. Y también se podrán hacer cosas estéticas, pequeñas animaciones. Al pulsar los botones movía modo oscuro y a ver, vamos a pulsar en la hadamar y mira, ya se puede pulsar todo esto.

Me parece una locura que sea tan fácil crear una web app y lo podéis hacer con Hostinger Horizons usando mi código Quantum Fracture. Podéis usarlo gratis durante siete días y después tenéis planes de €10 al mes con 50 mensajes. Además, te añadirá hosting gratuito por un mes.

Muchas gracias a Hostinger por patrocinar este vídeo. Y ahora sí, indaguemos en esta controversia. Topológica es el reto científico de nuestros días. Grandes multinacionales, startups y grupos de investigación van detrás de ello, y cada cierto tiempo se anuncia un chip revolucionario o una nueva meta alcanzada.

Parece que el ordenador cuántico topológico es una de ellas. Pero antes de explicar con cuidado todo esto, empecemos por lo básico. ¿Qué es un ordenador cuántico y por qué hay tanto hype? Seguro que os lo han explicado 1000 veces.

Los ordenadores habituales, o tu móvil, o tu tele, o tu Tamagotchi procesan la información por medio de bits ceros o unos. La clave de los ordenadores cuánticos es que no funcionan así. No son ordenadores mejores, son ordenadores distintos. En lugar de bits normales, usan bits cuánticos, los qubits.

No solo pueden valer cero o uno, sino estar en una infinidad de mezclas de ambos estados en una superposición cuántica: cero y uno a la vez. Y esta posibilidad nos lleva a repensarlo todo de base. Fuera sistemas operativos, fuera todo el hardware, fuera los lenguajes de programación de un bonito tú te puedes quedar.

En definitiva, se trata de un nuevo tipo de computación, la computación cuántica. ¿Pero para qué queremos algo así? ¿Por qué meter pasta en esto y no, por ejemplo, en trits con tres estados? Cuántos más, mejor.

La idea es que un ordenador cuántico sería fantástico para simular situaciones en las que intervengan sistemas cuánticos, problemas que ni siquiera los superordenadores más potentes pueden abordar en un tiempo razonable.

Parece de cajón. Si queremos estudiar un fenómeno que se rige por las reglas de la mecánica cuántica, lo mejor es usar un ordenador que obedezca a esas mismas reglas. Eso sería genial para la ciencia, en especial en química, biología o ciencia de materiales, donde ahora mismo solo podemos realizar cálculos con moléculas de unos pocos átomos en el mejor de los casos.

Un pequeño paréntesis, he llegado a leer que el ordenador cuántico servirá para resolver el cambio climático y acabar con el cáncer. ¿A ver, será importante para entender mejor biomoléculas enormes? Que tras muchas pruebas acaben en medicamentos que después de muchos e insufribles ensayos puedan ayudar a combatir ciertos tipos de cáncer. Bueno, esperemos que sí.

Ahora no es tan directo. ¿Pero claro, si las grandes tecnológicas están metidas en esto no es solo por amor a la ciencia, también es porque ya me entendéis, no? La gran promesa del ordenador cuántico—y voy a repetir esto para que quede claro—promesa es que también pueda superar a los ordenadores clásicos en otras tareas.

Una analogía bastante incorrecta sería, si somos ingeniosos, un ordenador cuántico podría funcionar como si tuviéramos varios ordenadores clásicos superpuestos, sumando su potencia de cálculo para la misma tarea. Ahora, cómo programar para que un ordenador cuántico actúe de esa forma y luego sacar un resultado de ahí es un problemón.

Hay montones de teóricos alrededor del mundo diseñando estos algoritmos cuánticos. Ya conocemos algunos que lo petarían si es que se resuelven un montón de problemas técnicos que tienen asociados. Por eso insisto con lo de promesa.

Pero volvamos a lo material. Fabricar ese ordenador cuántico. ¿Qué pasa con eso? Para implementar un qubit necesitamos algún tipo de sistema que tenga dos estados distintos y pueda estar en una superposición. Al igual que usamos transistores para materializar el bit, necesitamos una entidad cuántica para hacer nuestros qubits.

Existen distintas propuestas. Se puede usar el spin de un electrón, las dos polarizaciones de un fotón, dos de los niveles de un átomo o un ión atrapado, y hasta defectos en diamantes. Seguramente la opción más popular, la que exploran grandes compañías como Google o IBM, son los qubits basados en materiales superconductores.

Como os explicábamos en este vídeo, el gran problema al que se enfrentan los ordenadores cuánticos es que la superposición cuántica es algo muy frágil. Cualquier tipo de interacción con el entorno puede cargarse el estado de un qubit, haciendo que colapse a un uno o a un cero. Desaparece la cuántica y tenemos bits normales a precio de oro.

Para evitar que ocurra esto, o al menos retrasarlo lo más posible de manera que nos dé tiempo a hacer nuestros cálculos, hay que aislar nuestro chip de cualquier tipo de ruido, como la radiación externa o incluso las vibraciones térmicas de las partículas que componen el chip.

Es por eso que los ordenadores cuánticos están situados dentro de varias cámaras de vacío, para que no haya ni una molécula de aire que pueda perturbar el estado de los qubits. Además, se mantienen a temperaturas cercanas al cero absoluto para suprimir casi por completo las vibraciones de los átomos.

Aún así, es imposible eliminar el ruido por completo, y eso hace que los ordenadores cuánticos cometan muchos errores. Y ojo, es posible corregirlos, pero resulta muy costoso.

La idea es, imagina que tus bits normales de vez en cuando cambian de valor y te fastidian el cálculo. ¿Cómo puedes detectar y deshacer ese error? Una posibilidad es coger un montón de bits y que todos hagan exactamente lo mismo, el mismo proceso dentro del ordenador.

Solo tienes que fijarte en el conjunto. Si uno de ellos discrepa con los demás, ya sabes que ha sido un error y el valor de verdad es el global. Malo sería que todos los bits a la vez tengan un fallo.

Si los errores son frecuentes, necesitarás más bits para poder distinguir los resultados de verdad. Y con los qubits pasa algo similar. Hay que usar decenas, cientos o hasta miles de qubits físicos para implementar un único qubit lógico, el que acaba entrando en los cálculos.

Y eso representa un obstáculo para llevar los ordenadores cuánticos a una escala en la que puedan ser realmente útiles. Para eso seguramente necesitaríamos cientos de miles o incluso millones de qubits físicos, y el récord ahora mismo está en poco más de 1000.

Pero hay una solución: usar un sistema donde la protección contra el ruido venga ya de serie, que esté incluida en el propio hardware, por así decirlo. Esa es la idea de los qubits topológicos.

Y como vamos a ver, todo se basa en partir un electrón en dos. ¿Cómo? ¿Hay que partir un electrón en dos? Pero si los electrones son partículas fundamentales que no se pueden dividir en otras más simples. La cosa es matemáticamente, uno puede pensar que un electrón está compuesto por dos partículas, dos mayorrananas, un tipo hipotético de partícula propuesto hace unos 100 años por un genial físico italiano, Etore Majorana.

En el comunicado de Microsoft parece que han descubierto una nueva partícula elemental. Vamos, el CERN, con el bosón de Higgs. Y ahora ellos. Pero no, la cosa es más compleja. No estamos hablando de partículas, sino de cuasipartículas.

Os pongo un ejemplo. Imaginad que tenemos una red de átomos y a uno de ellos le falta un electrón. Eso puede generar una cascada de movimientos. Otro electrón salta hasta ese lugar, dejando un espacio vacío que enseguida es ocupado por otro electrón, y así sucesivamente.

En vez de pensar que se están moviendo todos los electrones, podemos centrarnos en el hueco. Parece una partícula que se está moviendo. Si nos tomamos en serio esa idea, esa partícula tiene que tener carga positiva, no hay otra.

Si al sistema le quito un electrón, aparece un hueco, pero también me he llevado la carga negativa del electrón. Por lo tanto, el hueco tiene carga positiva. De hecho, es una especie de antielectrón que lo aniquila. Por supuesto, los huecos no son partículas. Lo que es real es todo ese conjunto de electrones donde hay un estado libre.

Lo que ocurre es que todos esos electrones en conjunto, interaccionando, se comportan como una partícula hueco. Este es un ejemplo de cuasipartícula. ¿Es posible que pase algo así en nuestro caso? ¿Que hay algún sistema en que el comportamiento colectivo de los electrones haga que parezca que están compuestos por dos partículas? ¿En el que parezca que haya partículas de Majorana?

Y lo más importante, ¿de qué nos serviría eso? La cosa empezó a fraguarse. En el año 2000, Alexeei Kitaev se dio cuenta de una cosa bastante curiosa. Ponte que tenemos una hilera de electrones.

Ahora, imaginación. Vamos a pensar que cada uno está formado por parejas de Majoranas. Claro, visto así, podemos tener los Majoranas unidos así, o romper esta pareja e irlos conectando de esta forma. En los extremos quedan dos Majoranas solitos. Insisto, esto no quiere decir que haya medio electrón en cada punta.

Todos los electrones de la cadena están haciendo teatro. Por las características del sistema en el que los hemos puesto, se están comportando como si estuvieran hechos por parejas de partículas, como si hubiéramos dejado dos aisladas en los extremos. ¿Ok? Bien, imaginaos que pudiéramos vaciar el hilo de sus electrones, pero quedarnos con sus estados.

¿En qué sitios pueden estar? O más bien, ¿en qué sitios pueden estar sus Majoranas? Ahora vamos a meter algunos electrones. Si inducimos en la cadena un tipo especial de superconductividad, podemos alterar cómo se juntan los Majoranas, de modo que queden esos dos asientos libres en los extremos.

Ahora podría pasar que un electrón entrara en el sistema, se partiera en dos y sus Majoranas fueran a esas dos puntas. Cuando eso ocurre, cuando esos asientos están ocupados, decimos que el modo de Majorana está lleno. Si esto no ha pasado, decimos que está vacío.

¡Lleno, vacío, ocupado, desocupado, cero! Ya sabéis por dónde va esto. Y fijaos que podemos pasar de un estado a otro con tan solo añadir un electrón. Así que uno de los estados tiene un número par de electrones y el otro un número impar.

Y aunque parezca increíble, hay maneras de medir esto, de averiguar si tienes tu sistema en cero o en uno y mientras no mides cuántica, esos asientos pueden estar ocupados y desocupados simultáneamente. ¡Tenemos un qubit en potencia!

Todo esto de la hilera de Kitaev no es más que un modelo de juguete, una abstracción poco realista. De hecho, los electrones aquí ni siquiera tienen spin. Pero los científicos tratan de llevarlo a la práctica usando hilos semiconductores muy finitos, con un diámetro de unos pocos nanómetros.

Es un montaje experimental muy complicado que requiere materiales superconductores, campos magnéticos y unas condiciones muy precisas. Pero en principio, si logramos controlarlo todo podemos lograr recrear estos Majoranas a los dos lados del nanohilo.

Por desgracia, aún no lo hemos logrado. Al menos, y aquí está la clave de este vídeo, nadie ha demostrado aún de manera concluyente la existencia de esas cuasipartículas de Majorana, a pesar de que ha habido una infinidad de intentos desde 2012. Ya no se trata solo de la dificultad de crear los Majoranas, sino también de detectarlos.

Y es que son muy discretos. No tienen carga eléctrica. Por no tener, no tienen ni energía. Por eso se llaman modos cero de Majorana. Y aunque en principio se pueden usar mediciones eléctricas, hay todo otro abanico de cuasipartículas mucho menos interesantes que generan señales parecidas.

Es difícil saber cuál de ellas estamos produciendo ahora. Detectar los modos de Majorana sería fabuloso, porque el qubit que podríamos construir con ellos no sería uno habitual. Sería un qubit topológico.

Ah, la topología: el donut que se convierte en la taza. La taza que se convierte en el donut. Los divulgadores, admito, hemos explotado esto hasta la saciedad. Y sin embargo, creo que esta vez ayudará. Imagina que quisieras hacer computación con unos donuts.

Te vas a fijar en la altura que tienen para montar tus bits. Achatado o cero, alargado uno. Los vas modificando y a computar. Claro, esto tiene mucho riesgo. Los donuts se pueden caer, golpear, y eso puede hacer que se desfiguren.

Su forma es sensible a errores. Para nuestros ceros y unos hemos cogido una propiedad delicada. ¿Pero y si en vez de la altura, usáramos el número de agujeros? Uno para un agujero, cero para ninguno.

Ahora la cosa mejora. Los donuts se pueden deformar todo lo que quieras. Si hay un agujero, seguirá habiendo un agujero. Si no lo hay, seguirá sin haberlo. Tendríamos que hacerle una perrería muy gorda, como romperlo o perforarlo, para que la cosa cambiase.

Eso es porque la presencia o ausencia de un agujero es una propiedad global del sistema a la que no le afecta el pequeño golpe que le he dado por aquí. En otras palabras, he escogido una propiedad topológica y por tanto tengo un fantástico y con pocos errores bit topológico.

Algo así sucede en la hilera de Kitaev: nuestro agujero del donut son los modos de Majorana. Y es que es muy difícil que cualquier tipo de ruido se los cargue.

Primero, no es posible eliminar uno solo de los dos Majoranas. Eso sería como dejar solo medio electrón, algo que no es físicamente posible. Y como están en los extremos del hilo, están separados, es muy difícil que una perturbación altere los dos al mismo tiempo.

Otra manera de entenderlo es, hemos visto que podemos distinguir entre el cero y el uno porque el segundo estado tiene un electrón más. Así que el estado de nuestro qubit no depende de ningún electrón individual, sino de información global sobre el sistema, en concreto, de si tiene un número par o impar de electrones.

Y eso lo hace mucho más robusto frente a perturbaciones externas. Es así como, en teoría, te librarías de crear redundancias. Tus qubits ya son de hierro.

Mientras que tus competidores tienen que tener cientos de qubits para tener de forma efectiva diez que funcionen bien, tú con diez ya tienes diez. Sin embargo, bueno, la realidad siempre hace de las suyas. Aunque parece que no tienes que preocuparte de ciertos tipos de errores, ahora tienes que tener el ojo puesto en los modos de Majorana.

Son muy frágiles y el sistema tiene que ser capaz de seguir generándolos. No te libres de las temperaturas bajísimas y las cámaras de vacío. Microsoft afirma haber creado un chip con ocho de estos qubits topológicos y que su resistencia frente al ruido abre el camino para desarrollar sistemas con hasta 1 millón de qubits.

Cuidado, ahí ya estaríamos hablando de ordenadores cuánticos realmente útiles. ¿Bueno, y por qué hay expertos que ponen en duda el hallazgo?

¿Por qué me pongo así con la gente de Microsoft? Vamos con los cotilleos. En primer lugar, el grupo realizó el anuncio el mismo día que aparecía uno de sus artículos en Nature, una de las revistas científicas más prestigiosas del mundo. Bueno, es lo lógico, pensaréis. Sacan un artículo y dan a conocer sus resultados revolucionarios.

El problema es que afirmaron cosas que en el artículo no salen. Allí no demuestran la existencia de qubits topológicos, modos de Majorana ni nada por el estilo. Simplemente presentan un método para medir el estado de ese tipo de qubits en caso de que existan. Y para colmo, hay dudas sobre si el test que usan para intentar detectar los modos de Majorana es realmente efectivo o podría confundirlos con esas otras cuasipartículas mucho menos interesantes que no ofrecen protección topológica.

Yo lo siento mucho, pero tengo que ponerme duro porque me parece que muy poca gente lo ha hecho. Si tú anuncias a bombo y platillo que tienes un ordenador cuántico topológico que funciona con Majoranas cuando ni siquiera has demostrado la existencia de estos modos, entonces nos estás estafando.

Has vendido humo que te ha comprado medio mundo de periodistas y divulgadores. De hecho, en la propia revista han sido cautelosos. Han publicado el informe de los expertos que revisaron el artículo y al principio indican explícitamente que los resultados del experimento no constituyen ninguna prueba de la existencia de modos de Majorana.

Una advertencia. Sí, no es nada habitual. ¿Por qué tanta cautela por parte de Nature? Bien, resulta que no es la primera vez que les dan Majorana por liebre.

En 2019, Microsoft abrió un laboratorio de computación cuántica en la Universidad de Delf, en Holanda. A la cabeza, un destacado investigador del campo que en 2012 había anunciado la detección de los modos de Majorana, aunque los resultados no eran completamente concluyentes, y luego se demostró que admitían otras interpretaciones.

En 2018, ya en la plantilla de Microsoft, presentó pruebas aún más contundentes de su existencia. Pero resulta que en 2021 ese último artículo tuvo que ser retractado por graves problemas.

Parece que algunos de los científicos habían hecho un poco de cherry picking, aun sin tener mala fe. Su entusiasmo les llevó a seleccionar los datos que apoyaban sus conclusiones, descartando otros que las habrían echado por tierra. Desde entonces, un artículo del mismo grupo ha sido retractado, otro corregido, y en un cuarto dos de los autores han retirado su nombre.

Uy, y aunque este investigador ya no está en Microsoft, uno no puede evitar estar con la mosca detrás de la oreja. El caso es que la gente de Microsoft alegó que los resultados que justificaban los del vídeo habían llegado tarde. Los habían obtenido mientras el artículo de Nature estaba en proceso de revisión, y por eso no habían podido incorporarlos al texto.

Y aseguraban que darían más detalles en un congreso científico que tuvo lugar a mediados de marzo. En pocas palabras, el perro se comió mis qubits. Yo esperé pacientemente a ver qué decían y nada de Majoranas. Lo que mostraron fueron medidas de un qubit sin ningún indicio de ser topológico, y que encima tampoco era un qubit para tirar cohetes.

Todos estos fails nos indican dos punto número uno: la desenfrenada carrera por el primer ordenador cuántico realmente funcional. Una carrera que seguramente acelere la investigación, pero que también puede tener efectos indeseados, como los anuncios grandilocuentes basados en pruebas endebles que no acaban resistiendo el paso del tiempo.

Punto número dos: la dificultad de la tarea que Microsoft tiene entre manos. Ya no se trata solo de desarrollar qubits topológicos y usarlos para realizar operaciones, es que es tremendamente complicado incluso comprobar si uno ha tenido éxito o no. De hecho, hay al menos otros dos artículos sobre Majorana de otros grupos distintos que también han tenido que ser retirados.

De uno de ellos incluso me hice eco en su momento. Así que ole por la gente de Microsoft, porque han apostado fuerte a un reto gigantesco y ojalá les acabe saliendo bien.

Y a pesar de la dificultad, este es un campo muy activo donde se están haciendo muchos avances, aunque a veces puedan verse perjudicados por todas estas polémicas. Por ejemplo, ¿os acordáis del investigador que ya no trabaja para Microsoft? Ahora él y su equipo están trabajando en otro concepto muy los llamados pure Majorana, los Majoranas de baratillo.

La idea es simular cadenas de Kitaev cortas de dos o tres sitios utilizando puntos cuánticos. Aunque algunos de estos sistemas no tienen protección topológica, podrían permitirnos estudiar parte de la física de los modos de Majorana en un sistema más fácil de controlar. Desde luego, conseguir qubits topológicos sería un gran paso.

El tiempo dirá si logramos crearlos y si es este u otro enfoque distinto el que acaba permitiendo que se materialice el ordenador cuántico. De momento diría que un científico italiano seguramente sonría al ver hasta dónde ha llegado su nombre un siglo después, esté donde esté. Aunque esa es una historia para otro vídeo.

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