El chip Majorana 1 de Microsoft abre un nuevo camino para la computación cuántica
Microsoft ha presentado hoy Majorana 1, el primer chip cuántico del mundo impulsado por una nueva arquitectura de núcleo topológico que se espera que haga realidad ordenadores cuánticos capaces de resolver problemas significativos a escala industrial en años, no en décadas.
Aprovecha el primer topoconductor del mundo, un tipo de material innovador que puede observar y controlar partículas de Majorana para producir qubits más confiables y escalables, que son los componentes básicos de las computadoras cuánticas.
De la misma manera que la invención de los semiconductores hizo posible los teléfonos inteligentes, las computadoras y la electrónica de hoy, topoconductores y el nuevo tipo de chip que permiten ofrecen un camino para el desarrollo de sistemas cuánticos que pueden escalar a un millón de qubits y son capaces de abordar los problemas industriales y sociales más complejos, dijo Microsoft.
«Dimos un paso atrás y dijimos: ‘Está bien, inventemos el transistor para la era cuántica. ¿Qué propiedades debe tener?'», dijo Chetan Nayak, miembro técnico de Microsoft. «Y así es como en realidad llegamos aquí: es la combinación particular, la calidad y los detalles importantes en nuestra nueva pila de materiales lo que ha permitido un nuevo tipo de qubit y, en última instancia, toda nuestra arquitectura».
Esta nueva arquitectura utilizada para desarrollar el procesador Majorana 1 ofrece un camino claro para encajar un millón de qubits en un solo chip que puede caber en la palma de la mano, dijo Microsoft. Este es un umbral necesario para que los ordenadores cuánticos ofrezcan soluciones transformadoras del mundo real, como la descomposición de los microplásticos en subproductos inofensivos o la invención de materiales autorreparables para la construcción, la fabricación o la sanidad. Todas las computadoras actuales del mundo que operan juntas no pueden hacer lo que una computadora cuántica de un millón de qubits será capaz de hacer.
«Lo que sea que hagas en el espacio cuántico debe tener un camino a un millón de qubits. Si no es así, vas a chocar contra un muro antes de llegar a la escala en la que puedas resolver los problemas en verdad importantes que nos motivan», dijo Nayak. «De hecho, hemos trazado un camino hacia el millón».
El topoconductor, o superconductor topológico, es una categoría especial de material que puede crear un estado nuevo por completo de la materia, no un estado sólido, líquido o gaseoso, sino un estado topológico. Esto se aprovecha para producir un qubit más estable que es rápido, pequeño y puede controlarse de manera digital, sin las compensaciones requeridas por las alternativas actuales. Un nuevo artículo publicado el miércoles en Nature describe cómo los investigadores de Microsoft pudieron crear las exóticas propiedades cuánticas del qubit topológico y también medirlas con precisión, un paso esencial para la computación práctica.
Este avance requirió el desarrollo de una pila de materiales nueva por completo hecha de arseniuro de indio y aluminio, gran parte de los cuales Microsoft diseñó y fabricó átomo por átomo. El objetivo era crear nuevas partículas cuánticas llamadas Majoranas y aprovechar sus propiedades únicas para alcanzar el próximo horizonte de la computación cuántica, dijo Microsoft.
El primer núcleo topológico del mundo que alimenta el Majorana 1 es fiable por diseño, a través de la incorporación resistencia al error a nivel de hardware, lo que lo hace más estable.
Las aplicaciones importantes a nivel comercial también requerirán billones de operaciones en un millón de qubits, lo que sería prohibitivo con los enfoques actuales que se basan en el control analógico ajustado de cada qubit. El nuevo enfoque de medición del equipo de Microsoft permite que los qubits se controlen de manera digital, lo que redefine y simplifica de manera importante el funcionamiento de la computación cuántica.
Este progreso valida la elección de Microsoft hace años de perseguir un diseño de qubit topológico, un desafío científico y de ingeniería de alto riesgo y alta recompensa que ahora da sus frutos. Hoy, la compañía ha colocado ocho qubits topológicos en un chip diseñado para escalar a un millón.
«Desde el principio quisimos hacer una computadora cuántica para tener un impacto comercial, no solo para el liderazgo de pensamiento», dijo Matthias Troyer, miembro técnico de Microsoft. «Sabíamos que necesitábamos un nuevo qubit. Sabíamos que teníamos que escalar».
Ese enfoque llevó a la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA, por sus siglas en inglés), una agencia federal que invierte en tecnologías innovadoras que son importantes para la seguridad nacional, a incluir a Microsoft en un programa riguroso para evaluar si las tecnologías innovadoras de computación cuántica podrían construir sistemas cuánticos relevantes a nivel comercial, más rápido de lo que por lo general se creía posible.
Microsoft es ahora una de las dos empresas invitadas a pasar a la fase final del programa Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC, por sus siglas en inglés) de DARPA, uno de los programas que conforman la Iniciativa de Benchmarking Cuántico más grande de DARPA, que tiene como objetivo ofrecer la primera computadora cuántica tolerante a fallas a escala de utilidad de la industria, o una cuyo valor computacional supere sus costos.
«Tan solo te da la respuesta»
Además de fabricar su propio hardware cuántico, Microsoft se ha asociado con Quantinuum y Atom Computing para alcanzar avances científicos y de ingeniería con los qubits actuales, incluido el anuncio el año pasado de la primera computadora cuántica confiable de la industria.
Este tipo de máquinas ofrecen importantes oportunidades para desarrollar habilidades cuánticas, crear aplicaciones híbridas e impulsar nuevos descubrimientos, en especial a medida que la IA se combina con nuevos sistemas cuánticos que serán impulsados por un mayor número de qubits confiables. En la actualidad, Azure Quantum ofrece un conjunto de soluciones integradas que permiten a los clientes aprovechar estas plataformas líderes de IA, informática de alto rendimiento y cuánticas en Azure para avanzar en el descubrimiento científico.
Pero alcanzar el próximo horizonte de la computación cuántica requerirá una arquitectura cuántica que pueda proporcionar un millón de qubits o más y alcanzar billones de operaciones rápidas y fiables. El anuncio de hoy pone ese horizonte dentro de años, no de décadas, dijo Microsoft.
Debido a que pueden usar la mecánica cuántica para mapear de manera matemática cómo se comporta la naturaleza con una precisión increíble, desde las reacciones químicas hasta las interacciones moleculares y las energías enzimáticas, las máquinas de millones de qubits deberían ser capaces de resolver ciertos tipos de problemas en química, ciencia de materiales y otras industrias que son imposibles de calcular con precisión para las computadoras clásicas de hoy.
- Por ejemplo, podrían ayudar a resolver la difícil cuestión química de por qué los materiales sufren corrosión o grietas. Esto podría conducir a materiales autorreparables que reparan grietas en puentes o partes de aviones, pantallas de teléfonos rotas o puertas de automóviles rayadas.
- Debido a que hay tantos tipos de plásticos, en la actualidad no es posible encontrar un catalizador único que pueda descomponerlos, lo que es en especial importante para limpiar los microplásticos o abordar la contaminación por carbono. La computación cuántica podría calcular las propiedades de dichos catalizadores para descomponer los contaminantes en subproductos valiosos o desarrollar alternativas no tóxicas en primer lugar.
- Las enzimas, una especie de catalizador biológico, podrían aprovecharse de manera más efectiva en la atención médica y la agricultura, gracias a cálculos precisos sobre su comportamiento que solo la computación cuántica puede proporcionar. Esto podría conducir a avances que ayuden a erradicar el hambre en el mundo: aumentar la fertilidad del suelo para aumentar los rendimientos o promover el crecimiento sostenible de alimentos en climas severos.
Sobre todo, la computación cuántica podría permitir a ingenieros, científicos, empresas y otros diseñar las cosas de manera correcta la primera vez, lo que sería transformador para todo, desde la atención médica hasta el desarrollo de productos. El poder de la computación cuántica, combinado con las herramientas de inteligencia artificial, permitiría a alguien describir qué tipo de nuevo material o molécula desea crear en un lenguaje sencillo y obtener una respuesta que funcione de inmediato, sin conjeturas ni años de prueba y error.
«Cualquier empresa que fabrique algo podría diseñarlo a la perfección la primera vez. Ta solo te daría la respuesta», dijo Troyer. «La computadora cuántica le enseña a la IA el lenguaje de la naturaleza para que la IA pueda decirte la receta de lo que quieres hacer».
Repensar la computación cuántica a escala
El mundo cuántico funciona de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, que no son las mismas leyes de la física que gobiernan el mundo que vemos. Las partículas se llaman qubits, o bits cuánticos, análogos a los bits, o unos y ceros, que ahora usan las computadoras.
Los qubits son quisquillosos y muy susceptibles a las perturbaciones y errores que provienen de su entorno, lo que hace que se desmoronen y se pierda información. Su estado también puede verse afectado por la medición, un problema porque la medición es esencial para la computación. Un desafío inherente es desarrollar un qubit que pueda medirse y controlarse, al tiempo que ofrece protección contra el ruido ambiental que los corrompe.
Los qubits se pueden crear de diferentes maneras, cada una con ventajas y desventajas. Hace casi 20 años, Microsoft decidió seguir un enfoque único: desarrollar qubits topológicos, que creía que ofrecerían qubits más estables que requirieran menos corrección de errores, lo que desbloquea así ventajas de velocidad, tamaño y controlabilidad. El enfoque planteó una curva de aprendizaje empinada, que requirió avances científicos y de ingeniería inexplorados, pero también el camino más prometedor para crear qubits escalables y controlables capaces de realizar un trabajo valioso a nivel comercial.
La desventaja es, o era, que hasta hace poco las partículas exóticas que Microsoft buscaba usar, llamadas Majoranas, nunca se habían visto ni fabricado. No existen en la naturaleza y solo pueden ser persuadidos a la existencia con campos magnéticos y superconductores. La dificultad de desarrollar los materiales adecuados para crear las partículas exóticas y su estado topológico asociado de la materia es la razón por la que la mayoría de los esfuerzos cuánticos se han centrado en otros tipos de qubits.
El artículo de Nature marca la confirmación revisada por pares de que Microsoft no solo ha sido capaz de crear partículas de Majorana, que ayudan a proteger la información cuántica de perturbaciones aleatorias, sino que también puede medir de manera confiable esa información a partir de ellas por medio de microondas.
Las majoranas ocultan la información cuántica, lo que las hace más robustas, pero también más difíciles de medir. El nuevo enfoque de medición del equipo de Microsoft es tan preciso que puede detectar la diferencia entre mil millones y mil millones de electrones en un cable superconductor, que le dice a la computadora en qué estado se encuentra el qubit y forma la base para la computación cuántica.
Las mediciones se pueden activar y desactivar con pulsos de voltaje, como accionar un interruptor de luz, en lugar de ajustar los diales para cada qubit individual. Este enfoque de medición más simple que permite el control digital simplifica el proceso de computación cuántica y los requisitos físicos para construir una máquina escalable.
El cúbit topológico de Microsoft también tiene una ventaja sobre otros qubits debido a su tamaño. Incluso para algo tan pequeño, hay una zona «Ricitos de Oro», donde es difícil pasar líneas de control a un qubit demasiado pequeño, pero un qubit demasiado grande requiere una máquina enorme, dijo Troyer. Agregar la tecnología de control individualizado para esos tipos de qubits requeriría construir una computadora poco práctica del tamaño de un hangar de avión o un campo de fútbol.
Majorana 1, el chip cuántico de Microsoft que contiene tanto qubits como la electrónica de control circundante, se puede sostener en la palma de la mano y encaja a la perfección en una computadora cuántica que se puede implementar con facilidad dentro de los centros de datos de Azure.
«Una cosa es descubrir un nuevo estado de la materia», dijo Nayak. «Otra cosa es aprovecharlo para repensar la computación cuántica a escala».
Diseño de materiales cuánticos átomo a átomo
La arquitectura de qubits topológicos de Microsoft tiene nanocables de aluminio unidos para formar una H. Cada H tiene cuatro Majoranas controlables y produce un qubit. Estas H también se pueden conectar y colocar a lo largo del chip como si fueran fichas.
«Es complejo en el sentido de que tuvimos que mostrar un nuevo estado de la materia para llegar allí, pero después de eso, es bastante simple. Se desgasta. Tienes esta arquitectura mucho más simple que promete un camino mucho más rápido para escalar», dijo Krysta Svore, miembro técnico de Microsoft.
El chip cuántico no funciona solo. Existe en un ecosistema con lógica de control, un refrigerador de dilución que mantiene los qubits a temperaturas mucho más frías que el espacio exterior y una pila de software que puede integrarse con la IA y las computadoras clásicas. Todas esas piezas existen, construidas o modificadas de manera íntegra en casa, dijo.
Para ser claros, continuar con el refinamiento de esos procesos y lograr que todos los elementos trabajen juntos a escala acelerada requerirá más años de trabajo de ingeniería. Pero muchos desafíos científicos y de ingeniería difíciles ya se han superado, dijo Microsoft.
Conseguir que los materiales se apilaran de manera correcta para producir un estado topológico de la materia fue una de las partes más difíciles, añadió Svore. En lugar de silicio, el topoconductor de Microsoft está hecho de arseniuro de indio, un material que se utiliza en la actualidad en aplicaciones como detectores de infrarrojos y que tiene propiedades especiales. El semiconductor se casa con la superconductividad, gracias al frío extremo, para hacer un híbrido.
«Estamos, de manera literal, en el proceso de rociar átomo por átomo. Esos materiales tienen que alinearse a la perfección. Si hay demasiados defectos en la pila de materiales, estos matan tu qubit», dijo Svore.
«Es irónico que también es la razón por la que necesitamos una computadora cuántica, porque comprender estos materiales es bastante difícil. Con una computadora cuántica a escala, podremos predecir materiales con propiedades aún mejores para construir la próxima generación de computadoras cuánticas más allá de la escala», dijo.
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Imagen de portada: Majorana 1, el primer chip cuántico impulsado por un núcleo topológico basado en una nueva y revolucionaria clase de materiales desarrollados por Microsoft. Foto de John Brecher para Microsoft.