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Los ordenadores cuánticos fotónicos nos están acercando al mayor hito en computación cuántica: la corrección de errores

El desarrollo que han experimentado los ordenadores cuánticos durante los últimos cincos años es espectacular. Varios grupos de investigación de distintos países han alcanzando la supremacía cuántica empleando propuestas tecnológicas muy diferentes. Además, los cúbits superconductores y los que están implementados sobre trampas de iones han avanzado muchísimo, y otras tecnologías de cúbits, como los átomos neutros o los iones implantados en macromoléculas, también se están consolidando como alternativas a las tecnologías más desarrolladas.

Por si todo esto no fuera suficiente el número de cúbits de los prototipos de ordenadores cuánticos que tienen algunas compañías se está incrementando a muy buen ritmo. IBM presentó en diciembre de 2023 Condor, un procesador cuántico que aglutina la escalofriante cifra de 1.121 cúbits superconductores. Además, hace apenas unos pocos días IonQ ha conseguido poner a punto un ordenador cuántico de 35 cúbits algorítmicos un año antes de lo previsto. Todos estos avances nos invitan a otear el futuro de los ordenadores cuánticos con optimismo, pero aún es pronto para cantar victoria.

Y es que el mayor desafío que plantean los ordenadores cuánticos, la corrección de errores, todavía no está resuelto. Hay propuestas muy sólidas que presumiblemente pueden llegar a buen puerto, pero aún no tenemos un ordenador cuántico que sea capaz de enmendar sus propios errores. Y es necesario que cuenten con esta prestación porque de lo contrario no serán capaces de enfrentarse a buena parte de los escenarios de uso en los que los científicos esperan poder utilizarlos. Definitivamente sin corrección de errores no llegarán los ordenadores cuánticos plenamente funcionales.

La tecnología fotónica ya coquetea con la corrección de errores

A grandes rasgos los ordenadores cuánticos fotónicos son capaces de llevar a cabo cálculos empleando un láser pulsado, que no es otra cosa que un dispositivo láser que emite luz en forma de pulsos y no de manera continua. No obstante, estas máquinas se enfrentan a un gran desafío: para llevar a cabo operaciones cuánticas tienen necesariamente que contar con un mecanismo que les permita identificar y contabilizar con mucha precisión fotones. Dos equipos de investigadores de la Universidad de Virginia y del Laboratorio Jefferson, ambos en EEUU, han diseñado, construido y probado con éxito un sistema de detección de fotones.

Las simulaciones informáticas reflejan que los ordenadores cuánticos controlados por láser requieren una resolución de al menos 50 fotones

Esta innovación persigue derribar la barrera que nos separa de los ordenadores cuánticos controlados por láser, y, según sus creadores, es capaz de identificar más de 100 fotones en unos pocos microsegundos. Esta capacidad le permite erigirse como el ingrediente fundamental de estas máquinas de naturaleza cuántica debido a que la detección precisa de fotones es extremadamente compleja. Los sistemas de detección más avanzados disponibles hasta ahora eran capaces de identificar como mucho 20 fotones, pero las simulaciones informáticas indicaban a los científicos que los ordenadores cuánticos controlados por láser requieren una resolución de al menos 50 fotones.

Como acabamos de ver, la tecnología que han ideado los investigadores de los dos centros que he mencionado unas líneas más arriba rebasa los 100 fotones en unos pocos microsegundos, por lo que este desafío ha sido superado. Sin embargo, esta no es la única estrategia válida a la hora de poner a punto un ordenador cuántico fotónico. Y es que un equipo de investigadores de la Universidad de Tokio (Japón), la Universidad Johannes Gutenberg (Alemania) y la Universidad Palacký (Chequia) ha ideado un enfoque ligeramente diferente que, sobre el papel, tiene la capacidad de marcar la diferencia en el ámbito de la corrección de errores.

Su propuesta pasa por utilizar en vez de un único fotón un láser pulsado que puede emitir varios fotones y que tiene, y esto es lo más importante, la capacidad inherente de corregir errores. Además, una de las bazas más importantes que tienen los ordenadores cuánticos fotónicos consiste en que, a diferencia de los que emplean cúbits superconductores, trabajan correctamente a temperatura ambiental. Esta estrategia ha permitido a estos investigadores prescindir de la necesidad de emitir numerosos pulsos de luz para generar fotones individuales; un único pulso es suficiente para obtener un cúbit lógico robusto.

Desafortunadamente el cúbit lógico que han obtenido los investigadores de la Universidad de Tokio no tiene la calidad necesaria para asegurar la implementación de un sistema de corrección de errores robusto. Aun así, esta tecnología  tiene un potencial extraordinario debido a que ha demostrado que es posible utilizar un sistema cuántico óptico para obtener cúbits lógicos dotados de la capacidad de enmendar errores. Suena de maravilla. Confiemos en que estos científicos consigan refinar su tecnología lo necesario para hacer realidad la tan ansiada corrección de errores. Crucemos los dedos.

Imagen de portada | US Air Force

Más información | Science | Universidad Johannes Gutenberg

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