En un logro histórico, Azure Quantum demuestra la física antes esquiva necesaria para construir qubits topológicos escalables

El programa Azure Quantum de Microsoft ha desarrollado dispositivos que pueden crear propiedades cuánticas que los científicos han imaginado durante casi un siglo pero que no han podido producir sin ambigüedades en el mundo real, hasta ahora.

Es un avance científico clave que demuestra los escurridizos componentes básicos de un bit cuántico topológico, o qubit, que Microsoft ha perseguido durante mucho tiempo como el camino más prometedor para desarrollar una computadora cuántica escalable que lanzará una nueva generación de capacidades informáticas aún inimaginables para los clientes de Azure.

“Lo sorprendente es que los humanos han podido diseñar un sistema para demostrar una de las piezas de física más exóticas del universo. Y esperamos capitalizar esto para hacer lo casi impensable: avanzar hacia una máquina cuántica tolerante a fallas que permitirá la computación en un nivel nuevo por completo, que se acerque más a la forma en que opera la naturaleza”, dijo Krysta Svore, una distinguida ingeniera de Microsoft que dirige el programa de software cuántico de la compañía.

“Nunca se había hecho antes, y hasta ahora no era seguro que se pudiera hacer. Y ahora es como sí, aquí está esta última validación de que estamos en el camino correcto”, dijo.

Basándose en dos décadas de investigación científica e inversiones recientes en simulación y fabricación, el equipo de Azure Quantum ha diseñado dispositivos que les permiten inducir una fase topológica de la materia respaldada por un par de modos cero de Majorana. Estas excitaciones cuánticas por lo general no existen en la naturaleza y deben ser persuadidas para que aparezcan en condiciones de una alta precisión.

Los científicos han buscado crear y observar estas excitaciones desde que se teorizaron por primera vez en 1937. De manera más reciente, se dieron cuenta de que los modos cero de Majorana pueden desempeñar un papel importante en la protección de la información cuántica y permitir un cálculo confiable.

El equipo de Azure Quantum también ha podido producir lo que se conoce como fase topológica y medir la brecha topológica, que cuantifica la estabilidad de la fase.

La capacidad de crear y mantener una fase cuántica con los modos cero de Majorana y una brecha topológica medible elimina el mayor obstáculo para producir un tipo único de qubit, que la máquina cuántica de Microsoft usará para almacenar y calcular información, llamado qubit topológico. Es la base del enfoque de Microsoft para construir una computadora cuántica que se espera que sea más estable que las máquinas construidas con otros tipos de qubits conocidos y, por lo tanto, escale como ninguna otra.

En todo el mundo, los científicos se apresuran a comprender mejor los complicados procesos químicos o moleculares que podrían ayudar a eliminar los gases de efecto invernadero de la atmósfera, crear mejores baterías o fuentes de energía sustentables, producir más alimentos en una sola hectárea de tierra o ayudar a eliminar los contaminantes para crear agua limpia.

Pero incluso con las capacidades informáticas masivas de hoy, algunos de estos problemas exceden los límites de las computadoras clásicas, lo que requeriría años o décadas o la vida útil del universo para resolver. Por el contrario, las computadoras cuánticas buscan usar la mecánica cuántica, las mismas leyes y ecuaciones matemáticas que describen cómo se comportan las partículas subatómicas, para procesar información de formas nuevas por completo y en una escala que antes era inalcanzable.

“Descubrir cómo alimentar al mundo o curarlo del cambio climático requerirá descubrimientos u optimización de moléculas que no pueden hacer las computadoras clásicas de hoy, y ahí es donde entra en juego la máquina cuántica”, dijo el vicepresidente corporativo cuántico de Microsoft, Zulfi Alam, quien dijo que piensa mucho en su trabajo sobre cómo dejar el mundo en un lugar mejor para su hijo de cuatro años.

“No sé si hemos hecho eso en las últimas dos o tres generaciones”, dijo. “Entonces, con suerte, podemos retribuir ahora y hacer algo para ayudar a sanar el planeta, y creo que necesitamos el poder computacional de la computación cuántica para lograr eso”.

Pero el equipo de Azure Quantum determinó desde el principio que abordar estos problemas urgentes del mundo real requerirá computadoras cuánticas que empleen un millón de qubits o más. Hasta la fecha, las demostraciones públicas de computación cuántica basada en puertas han utilizado menos de 130. Y los expertos de Microsoft esperan que muchos de los qubits actuales tengan limitaciones que dificultarán alcanzar la escala necesaria para admitir aplicaciones cuánticas comerciales.

Es por eso por lo que Azure Quantum se ha centrado en desarrollar qubits topológicos, que se espera que sean más rápidos, más pequeños y menos propensos a perder información que otros tipos de qubits que en la actualidad se encuentran en desarrollo. Microsoft cree que crear un qubit topológico más estable es el camino más claro y rápido para construir una máquina cuántica a escala industrial.

Pero, hasta ahora, la desventaja de buscar un qubit topológico era que nadie estaba seguro de que fuera posible aprovechar la física cuántica subyacente para producirlos.

“El hecho de que hayamos hecho esto que es muy, muy difícil y ahora podamos fabricar dispositivos que produzcan esta fase topológica muestra que tenemos un equipo muy talentoso que está a la altura del desafío y puede abordar los siguientes pasos críticos”, dijo Chetan Nayak, un distinguido ingeniero de Microsoft que lidera el programa de hardware cuántico.

“Esto demuestra los aspectos clave de esta física esquiva y ahora avanza a toda máquina hacia el qubit topológico”, dijo.

Un enfoque de alto riesgo y alta recompensa

En la actualidad la industria cuántica está en la búsqueda de muchos enfoques diferentes para desarrollar qubits. Cuando los qubits se pueden mantener en un estado óptimo, en teoría una computadora cuántica puede explotar las peculiaridades de la mecánica cuántica, como la superposición, el entrelazamiento y la interferencia, para resolver ciertos problemas con muchas variables y posibles soluciones en una fracción del tiempo que le llevaría a las computadoras clásicas. Pero todavía no existe una computadora cuántica a una escala que pueda cumplir la promesa de resolver problemas complicados del mundo real.

Los clientes de Azure Quantum de hoy han podido obtener beneficios tempranos pero significativos de la tecnología cuántica, como el uso de principios cuánticos en algoritmos clásicos para acelerar las soluciones de optimización. También pueden comenzar a aprender a programar soluciones cuánticas duraderas que se pueden probar y ejecutar en la generación actual de hardware cuántico de la industria.

Cada decisión y cada inversión en Azure Quantum se ha centrado en un objetivo a largo plazo: desarrollar una máquina cuántica y respaldar un ecosistema que permita a los clientes de Azure resolver problemas del mundo real a escala empresarial con la tecnología.

Esta máquina cuántica está diseñada para trabajar de la mano con los recursos informáticos clásicos de Azure para ofrecer a los clientes nuevas capacidades. Por ejemplo, una empresa química podría diseñar nuevos catalizadores en cuestión de semanas en lugar de décadas en un laboratorio. Los científicos pueden descubrir los secretos de la naturaleza para recolectar luz de manera más sustentable y mejorar la energía fotovoltaica para una energía más limpia.

Quien desarrolle primero un acelerador cuántico comercial tendrá una fuerte ventaja competitiva, junto con sus clientes, dijo Alam. Es otra forma más en la que Azure planea continuar con el ofrecimiento de los mejores servicios en la nube de su clase e impulsar a sus clientes empresariales para que brinden avances en sus industrias.

Por ejemplo, una computadora cuántica de un millón de qubits debería poder simular con precisión moléculas complejas en busca de nuevos catalizadores químicos que una computadora clásica, incluso del tamaño de todo el sistema solar, no podría modelar, dicen los expertos de Microsoft.

“Este es el próximo gran avance en la informática; no hay confusión al respecto en la mente del mundo corporativo”, dijo Alam.

Pero para construir una computadora cuántica útil a nivel comercial, sus qubits deben funcionar bien en tres dimensiones clave: confiabilidad, velocidad y tamaño.

Los estados cuánticos son, por su naturaleza, en extremo frágiles y propensos a la interrupción, lo que dificulta mantener un estado en el que los qubits puedan realizar cálculos de manera confiable. Para ofrecer ventajas sobre la computación clásica, los qubits también necesitan procesar la información de manera rápida. Y los componentes de una máquina cuántica no pueden ser tan grandes como para llenar un almacén o un campo de fútbol, lo que hará que los sistemas construidos en ciertos tipos de qubits sean difíciles de escalar.

“Puedes construir un qubit, eso no es un problema. Pero sabemos que para llegar a que millones de qubits trabajen juntos, que es lo que en realidad se necesita para desbloquear nuevos materiales y hacer las aplicaciones prácticas que queremos hacer, es necesario lograr estas tres cosas al mismo tiempo”, dijo Lauri Sainiemi, Gerente general de fabricación de Microsoft.

Un desafío en el desarrollo de una computadora cuántica es que los qubits colapsan y se decoheren con facilidad cuando encuentran ruido ambiental como calor, partículas subatómicas perdidas o campos magnéticos. Se pierde información y los qubits ya no son útiles para el cálculo. Los errores comienzan a ocurrir y la computadora cuántica tiene que dedicar aún más qubits poco confiables para corregirlos. Es como tratar de mantener una habitación entera de platos que giran sobre palillos cuando la más mínima perturbación puede hacer que un plato se desequilibre y comience a chocar contra todos los demás.

El enfoque de Microsoft ha sido buscar un qubit topológico que tenga protección integrada contra el ruido ambiental, lo que significa que debería tomar muchos menos qubits para realizar cálculos útiles y corregir errores. Los qubits topológicos también deberían poder procesar información con rapidez, y uno puede colocar más de un millón en una oblea que es más pequeña que el chip de seguridad de una tarjeta de crédito.

Para crear una protección topológica, la información cuántica se puede codificar en un par de modos cero de Majorana que están separados de manera física. Esto hace que un qubit topológico sea más inmune al ruido ambiental, que no puede interactuar con la información ni destruirla cuando se encuentra con uno solo. La única forma de desbloquear la información cuántica es observar el estado combinado de ambos modos cero de Majorana al mismo tiempo. Tomar estas medidas de manera estratégica permite tanto las operaciones cuánticas como la creación de una protección inherente para el qubit.

Pero primero, el equipo de Azure Quantum necesitaba demostrar cómo crear de forma fiable la fase topológica que confiere estas ventajas de estabilidad, velocidad y tamaño. Desarrollaron un proceso que superpone materiales semiconductores y superconductores en un dispositivo de una manera en extremo controlada y precisa a nivel atómico. En presencia de campos magnéticos y voltajes específicos, los dispositivos pueden producir una fase topológica con un par de modos cero de Majorana, caracterizados por firmas de energía reveladoras que aparecerán en cualquier extremo de un nanocable en las condiciones adecuadas, y una brecha topológica medible.

Al explorar qué arquitecturas cumplirían con los requisitos para ejecutar aplicaciones cuánticas prácticas, los expertos cuánticos de Microsoft llegaron a la conclusión de que un qubit topológico era el único bloque de construcción que marcaba las tres casillas de una computadora cuántica que podía lograr la escala necesaria para un uso práctico.

Pero también sabían que decidir invertir en este enfoque topológico desafiante era un poco como elegir escalar una montaña directo desde el comienzo del sendero para al final ser recompensados con una caminata más fácil a lo largo de la cresta, en lugar de tomar el camino más fácil de permanecer en el valle solo para llegar más tarde a un acantilado que bloquea el progreso ascendente.

“Microsoft ha adoptado este enfoque muy arriesgado, pero de alta recompensa, al tratar de crear un qubit que, desde el punto de vista teórico, parece ser el mejor qubit que se puede obtener. Pero el desafío fue que nadie había visto en realidad estos modos cero de Majorana en la vida real”, dijo Peter Krogstrup, director científico del Quantum Materials Lab de Microsoft en Lyngby, Dinamarca. “Pero lo hemos hecho ahora, y eso es súper emocionante. Tenemos que seguir con el desarrollo de nuestras capacidades de ingeniería, pero en realidad parece que ahora hay un camino hacia la computación cuántica escalable”.

“De repente fue algo sorprendente”

Roman Lutchyn recuerda almorzar en un hotel cuando recibió un correo electrónico el año pasado de un colega al que se le había pedido que analizara las medidas de un experimento sobre el diseño de dispositivo más nuevo del equipo. Antes, habían trabajado con expertos cuánticos para desarrollar una lista de verificación de todas las cosas que necesitarían ver en los datos para convencerse de que en realidad habían logrado el avance topológico.

Lutchyn, gerente de investigación de socios de Microsoft con experiencia en simulación cuántica, eligió a este colega para analizar los datos porque a nivel histórico había sido un escéptico saludable en el equipo. Tampoco participó en el diseño o la prueba de este dispositivo en particular, que consiste en enviar una corriente eléctrica a través del sistema y ver cómo responden los materiales. Esta vez, estuvo de acuerdo el colega, los datos marcaron todas las casillas que habían buscado.

Hubo un par de firmas de energía reveladoras llamadas picos de polarización cero, que indican la presencia de modos cero de Majorana en ambos extremos de un nanocable que se ha sintonizado en una fase topológica. Antes, esa firma solo se había visto en un extremo del cable y no en combinación. También hubo otro patrón en los datos de conductancia eléctrica que proporcionó evidencia de una brecha topológica, que es una medida que cuantifica qué tan inmune es la fase topológica a la perturbación ambiental. El equipo necesitaba ver cómo se cerraba y se reabría la brecha, junto con la aparición simultánea de los dos picos de sesgo cero, lo que, con claridad, hicieron por primera vez.

“De repente fue algo sorprendente. Examinamos los datos y esto fue todo”, dijo Lutchyn.

En consulta con expertos externos en el campo cuántico, el equipo de Azure Quantum quería establecer el listón más alto posible y establecer con claridad qué criterios objetivos mostrarían que habían establecido la fase topológica buscada durante mucho tiempo. En particular, querían evitar incertidumbres como las que llevaron a la retractación de un artículo de Nature de 2018 en el que los autores que buscaban los modos cero de Majorana se basaron en datos que resultaron ser incompletos o engañosos.

Es por eso que, dijo Alam, el equipo de hardware invitó a un consejo externo que incluye a algunos de los principales expertos mundiales en el campo cuántico para revisar los últimos resultados en detalle y ofrecer comentarios y validación para el descubrimiento.

El equipo de Azure Quantum entendió que tan solo ver una pieza de evidencia de forma aislada no sería suficiente. Pero dicen que la acumulación de datos de sus últimos diseños de dispositivos (ver todos los patrones que han buscado en conjunto y en múltiples dispositivos) hace un caso mucho más convincente.

“Si solo ves fragmentos o piezas, puede ser difícil saber lo que miras”, dijo Judith Suter, investigadora principal de Microsoft que trabaja en Quantum Materials Lab. “Si encuentras un solo hueso en el desierto, es difícil saber de qué animal proviene. Pero si encuentras un esqueleto completo, puedes mirarlo y decir: ‘Ah, sí, eso es un zorro'».

De la experimentación al diseño industrial

En el último año, el equipo de hardware de Azure Quantum ha pasado de un enfoque en gran medida experimental (probar teorías en el laboratorio y aprender por ensayo y error) a simular, y diseñar materiales con requisitos específicos para un rendimiento óptimo.

“No estamos motivados solo por el descubrimiento científico. Estamos en el negocio de crear productos que brinden valor e impulsen a nuestros clientes para hacer lo que alguna vez fue inimaginable”, dijo Alam, quien ayudó a impulsar un cambio cultural en todo el programa que, según muchos, ayudó a acelerar el progreso reciente del equipo.

“Construir una computadora cuántica es similar a enviar a alguien a la luna o aventurarse a Marte. Tiene el mismo nivel de complejidad, o más, y requiere un equipo de expertos que trabajen muy de cerca, donde la misión es mucho más grande que las partes individuales”, dijo Alam.

Durante años, la investigación cuántica de la empresa se basó en gran medida en enfoques académicos que animaban a varios equipos a probar las teorías que consideraban más prometedoras, basándose en una profunda experiencia en física cuántica, pero también un poco de intuición y conjeturas. Requiere configurar y ejecutar un experimento tras otro en un laboratorio, lo que puede llevar mucho tiempo y, a veces, dificulta aislar con rapidez lo que contribuyó al éxito o al fracaso.

A través de las capacidades informáticas masivas de Azure, Lutchyn y otros investigadores del laboratorio Station Q de Microsoft en Santa Bárbara han desarrollado nuevas capacidades de simulación cuántica para complementar la invaluable investigación académica del equipo. Esto ahora permite al equipo de hardware modelar y predecir cómo los diferentes diseños de dispositivos, desde los materiales que se utilizan hasta las dimensiones de cada componente y cómo se pueden vincular los qubits, influyen en el comportamiento cuántico. Esta capacidad de probar de manera iterativa diferentes escenarios y modificar parámetros individuales en la simulación ha permitido al equipo aislar qué características son los impulsores más importantes del rendimiento.

“Esto lleva el programa al siguiente nivel porque cambia de un enfoque experimental y científico a un enfoque más industrial y de ingeniería”, dijo Lutchyn. “Ahora tenemos mucha más consistencia. Puedes decir ‘esta es la receta y aquí están las especificaciones que debes cumplir’ y luego, de manera más predecible, obtienes lo que esperas ver».

Los expertos en el laboratorio de materiales cuánticos de Copenhague de Microsoft y en otros lugares también han pasado los últimos años en inventar u optimizar técnicas de fabricación que ahora les permiten diseñar y fabricar dispositivos con precisión de nivel atómico. Descubrir cómo ensamblar elementos clave del más reciente dispositivo en un entorno de alto vacío también ha permitido a los equipos de hardware alcanzar niveles de pureza que eran imposibles con las técnicas de fabricación convencionales.

Estos y otros avances de fabricación también fueron fundamentales para realizar el último avance de Microsoft, dice el equipo, lo que permitió a las personas que fabrican el hardware coincidir y realizar de manera física las especificaciones ideales generadas por el equipo de diseño y simulación.

“Ahora estamos liderados por diseños que se basan en simulaciones, no solo en alguien que discute ideas en una sala de conferencias”, dijo Nayak. “Y ahora tenemos las tecnologías únicas de crecimiento y fabricación para hacer realidad esas ideas. No importa si tienes los mejores diseños del mundo, si no puedes hacerlos, tan solo se quedan en el papel”.

En el camino de la ingeniería qubit

Para ser claros, dicen los líderes cuánticos de Microsoft, hay un trabajo mucho más desafiante por delante en el camino hacia la creación de una computadora cuántica escalable.

Pero estas mismas capacidades de simulación, diseño y fabricación beneficiarán al equipo de Azure Quantum a medida que abordan los siguientes pasos: descubrir cómo hacer que una brecha topológica sea más robusta y estable, entrelazar los bloques de construcción de Majorana para crear un qubit, procesar información con qubits que puede realizar cálculos significativos y conectar qubits que deben operar a temperaturas más frías que el espacio exterior en una máquina escalable.

Pero el signo de interrogación científico más importante ahora se ha borrado, dice el equipo. Y el próximo conjunto de problemas en el horizonte, aunque aún es difícil, se encuentra en un territorio un poco menos desconocido.

“Ya no hay ningún obstáculo fundamental para producir un qubit topológico”, dijo Sainiemi. “Esto en definitiva no significa que hayamos terminado, todavía tenemos mucho trabajo por hacer. Pero la parte fundamental se ha demostrado, y ahora estamos más en un camino de ingeniería y eso es lo que vamos a perseguir”.

Imagen principal: La investigadora posdoctoral Xiaojing Zhao trabaja en el Laboratorio de materiales cuánticos de Microsoft, donde se demostró un hito importante hacia la creación de un qubit topológico y una computadora cuántica escalable. Foto de John Brecher para Microsoft.

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Jennifer Langston escribe sobre investigación e innovación en Microsoft. Síganla en Twitter.