Hasta el momento se han comercializado dos tecnologías principales de computación cuántica. Un tipo de hardware, llamado transmon, que consiste en bucles de cables superconductores unidos a un resonador; lo utilizan empresas como Google, IBM y Rigetti. En cambio, empresas como Quantinuum e IonQ han utilizado iones individuales mantenidos en trampas de luz. Por el momento, ambas tecnologías se encuentran en un lugar incómodo. Está claro que han demostrado que funcionan, pero necesitan algunas mejoras significativas de escala y calidad antes de poder realizar cálculos computacionales.
Puede resultar un poco sorprendente ver que Microsoft apuesta por una tecnología alternativa llamada "qubits topológicos". Esta tecnología está lo suficientemente alejada de otras opciones como para que la empresa anunciara que ha elaborado la física para fabricar un qubit.
Los fundamentos de un qubit
Microsoft parte con retraso respecto a algunos competidores porque la física básica de su sistema no se ha descubierto del todo. El sistema de la empresa se basa en la producción controlada de una "partícula de Majorana", cuya existencia sólo se ha demostrado en la última década (e incluso entonces, su descubrimiento ha sido controversial).
La partícula obtiene su nombre gracias a Ettore Majorana, quien propuso la idea en los años 20. En términos simples, una partícula de Majorana es su propia antipartícula; dos partículas de Majorana que giren diferente se extinguirían si chocan. Por el momento, ninguna de las partículas conocidas parece ser una partícula de Majorana (todas, excepto los neutrinos, no lo son definitivamente). Pero el concepto ha perdurado por la posibilidad de crear cuasipartículas de Majorana, o sea, un conjunto de partículas y campos que, en ciertos contextos, se comporta como si fuera una sola partícula.
La cuasipartícula más destacada es probablemente el par de Cooper, en el que dos electrones se emparejan de forma que se altera su comportamiento. Los pares de Cooper son necesarios para que la superconductividad trabaje correctamente.
El sistema de Microsoft incluye un cable superconductor y sus pares de Cooper. En circunstancias normales, tener un electrón adicional no apareado supone un costo en la energía total del sistema. Pero en un cable suficientemente pequeño y en presencia de campos magnéticos, es posible pegar un electrón al final del cable sin ningún costo energético.
Al tratarse de mecánica cuántica, el electrón no está localizado en el extremo del cable donde se inserta, sino que está deslocalizado en ambos extremos. "Los dos extremos son las partes real e imaginaria de esa función de onda cuántica, básicamente", dijo Nayak, ingeniero de Microsoft. Estos estados finales se denominan modos cero de Majorana, y Microsoft dice ahora que los ha creado y ha medido sus propiedades.
De la cuasipartícula al qubit
Por sí solos, los modos cero de Majorana no pueden utilizarse como qubits. Sin embargo, Nayak dijo que es posible vincularlos a un punto cuántico cercano (los puntos cuánticos son piezas de un material cuyo tamaño es menor que la longitud de onda de un electrón en ese material). Igualmente, describió un cable en forma de U con modos cero de Majorana en cada extremo y esos extremos cerca de un punto cuántico.
"En efecto, como proceso virtual, se puede hacer que un electrón haga un túnel desde el punto cuántico hacia un modo cero de Majorana y que un electrón haga un túnel desde el otro modo cero de Majorana hacia el punto cuántico", asimismo Nayak lo indicó. Estos intercambios alteran la capacidad del punto cuántico para almacenar carga (su capacitancia, en otras palabras), una propiedad que puede medirse. Nayak también dijo que las conexiones entre el cable y los puntos cuánticos pueden controlarse, permitiendo potencialmente que los modos cero de Majorana se desconecten, lo que ayudaría a preservar su estado.
Microsoft no ha llegado a enlazar un punto cuántico. Pero ha realizado un trabajo considerable para conseguir que el estado topológico funcione en el alambre. Los materiales que utiliza la empresa son relativamente inusuales: aluminio como cable superconductor y arseniuro de indio como semiconductor que lo rodea. Microsoft está fabricando todos estos dispositivos.
Para averiguar cómo configurar esos dispositivos para obtener el mejor rendimiento fue necesario realizar extensas simulaciones. "Pudimos optimizar el diseño mediante simulaciones, optimizando más de 23 parámetros diferentes", dijo Nayak "Si tuviéramos que ordenarlos experimentalmente por prueba y error, nunca seríamos capaces de optimizar todos esos parámetros en un tiempo razonable".
La optimización se utilizó para aumentar una medida llamada brecha topológica. Nayak dijo que mientras las temperaturas se mantengan por debajo de la energía de la brecha topológica y las frecuencias de control sean inferiores a esa energía, la información cuántica debería ser estable. Una brecha mayor también significa que el dispositivo puede hacerse más pequeño y las operaciones pueden realizarse más rápidamente.
"Un pequeño aumento de la brecha topológica tiene incrementos exponenciales en el rendimiento del dispositivo: se encuentra dentro de un exponente", dijo Nayak. "Así que, en ese sentido, es un parámetro de gran importancia para nosotros".
¿Por qué estos qubits?
La capacidad de mejorar el rendimiento del dispositivo de forma tan significativa aumentando un solo parámetro es parte de lo que ha impulsado el interés de Microsoft por los qubits topológicos. La posibilidad de reducir el tamaño de los dispositivos a medida que aumenta la brecha es una parte importante del atractivo. Nayak dijo que, de forma conservadora, estos qubits podrían ocupar en última instancia sólo un cuadrado de 10 micrometros cuadrados, mucho menos que los transmon (tipo de qubit de carga superconductora) o el hardware de las trampas de iones.
Mientras que las empresas que trabajan con los otros enfoques están pensando en gestionar el entrelazamiento a través de múltiples dispositivos para ampliar el número de qubits, Nayak argumentó que el tiempo y los errores inherentes a ese enfoque lo hacían inviable. "Más vale que sea un módulo único y que quepa en una sola Oblea", dijo. "De hecho, más vale que quepa en una sola oblea". Y como el tamaño está relacionado con la brecha topológica, vendrá con un rendimiento más rápido y una mayor estabilidad.
Pero todo esto requiere que los qubits (que Microsoft aún no ha construido) se comporten exactamente como la física predice que deben hacerlo.
Hasta cierto punto, la empresa también apuesta por que toda la gente que trabaja en otras tecnologías fracase, a pesar de las considerables ventajas que algunos tienen ahora. Nayak fue muy explícito al respecto: "Los qubits de hoy no van a ser la base de los ordenadores cuánticos de mañana. Los qubits que tenemos hoy son muy interesantes, muy impresionantes; se puede aprender mucho y hacer mucha investigación y hacer un buen progreso gradual. Pero va a ser necesario algún tipo de idea nueva para hacer un ordenador cuántico a escala comercial".
Eso no es sólo confianza en la tecnología por la que ha apostado la empresa; también es apostar contra personas muy inteligentes en numerosas empresas que parecen bastante convencidas de que pueden seguir mejorando sus tecnologías.