Tecnologías cuánticas de átomos neutros: los componentes de una nueva informática
La informática cuántica tiene un talento particular: volver complicadas cosas que, sin embargo, pueden explicarse bastante simplemente. Cúbits, superposición, entrelazamiento, estados de Rydberg, coherencia, puertas cuánticas, trampas ópticas… El vocabulario se vuelve rápidamente intimidante, incluso para profesionales de las tecnologías de la información que no trabajan directamente en física cuántica. Detrás de las tecnologías cuánticas de átomos neutros se encuentra, sin embargo, una idea de partida asombrosamente concreta: tomar átomos reales, inmovilizarlos con luz, controlar su estado con láseres y aprovechar sus propiedades cuánticas para procesar información. El átomo se convierte entonces literalmente en un componente del sistema informático.
Este enfoque constituye hoy una de las grandes vías exploradas para desarrollar computadoras cuánticas, junto a los circuitos superconductores, los iones atrapados y las tecnologías fotónicas. Las tecnologías atómicas también interesan a la simulación cuántica, a los sensores de muy alta precisión, a los relojes atómicos y a ciertas tecnologías de comunicación. Europa invierte además en su industrialización con Q-PLANET, un programa coordinado por la empresa francesa Pasqal que apunta en particular al desarrollo de componentes de calidad industrial para las tecnologías cuánticas de átomos neutros. Sin embargo, para comprender por qué este enfoque suscita tanto interés, hay que empezar por el componente más fundamental del sistema: el átomo mismo.
Un átomo está constituido por un núcleo que contiene protones cargados positivamente y neutrones sin carga eléctrica, alrededor del cual se encuentran electrones cargados negativamente. Cuando el número de protones y de electrones se equilibra, su carga eléctrica global es nula: se dice que el átomo es neutro. Esta característica permite, en particular, distinguir esta tecnología de la de los iones atrapados, donde se utilizan por el contrario átomos a los que se les han retirado o añadido uno o varios electrones con el fin de darles una carga eléctrica. Las arquitecturas de átomos neutros pueden utilizar elementos como el rubidio o el estroncio y aprovechar directamente las propiedades naturales de esos átomos como soporte físico de la información cuántica.
Ahí aparece uno de los aspectos más fascinantes de esta tecnología. En varias arquitecturas informáticas, los componentes deben fabricarse con una precisión extraordinaria y las variaciones entre ellos deben ser dominadas. Con los átomos neutros, una parte de esa uniformidad la aporta la naturaleza misma: dos átomos del mismo isótopo tienen las mismas propiedades fundamentales. Evidentemente, los ingenieros deben lograr aislarlos, posicionarlos, controlarlos y medirlos con una precisión notable, pero no tienen que fabricar individualmente cada átomo. Esta característica explica en parte el interés que suscita este enfoque cuando se contemplan arquitecturas que comprendan eventualmente un número muy elevado de cúbits.
Queda un problema bastante espectacular: ¿cómo manipular individualmente algo tan pequeño como un átomo? La respuesta se debe en gran parte a la luz. Haces láser extremadamente precisos permiten crear lo que los físicos llaman pinzas ópticas, capaces de mantener átomos en posiciones determinadas. Se puede imaginar una mesa sobre la cual se dispondrían canicas según una geometría precisa, con la diferencia de que las “canicas” son aquí átomos individuales y que las pinzas que los retienen están constituidas de luz. Varias de estas trampas pueden crearse simultáneamente, los átomos pueden reorganizarse y pueden formarse distintas geometrías. Los investigadores obtienen así matrices de átomos controlables y reconfigurables, y algunos trabajos ya han permitido manipular centenares, y luego miles, de átomos en este tipo de arquitectura.
Evidentemente, disponer los átomos no basta para fabricar una computadora cuántica. Hay que transformar después sus propiedades físicas en información aprovechable. En una computadora convencional, el bit tiene dos valores posibles, 0 o 1. En un sistema cuántico, el cúbit constituye la unidad fundamental de información. Con átomos neutros, ciertos estados de energía bien determinados pueden servir para representar los estados de base del cúbit. La mecánica cuántica permite también preparar una superposición de esos estados. Sin embargo, hay que evitar la imagen simplista según la cual un cúbit sería simplemente un bit clásico que estaría “0 y 1 al mismo tiempo”. Su estado cuántico tiene amplitudes que determinan las probabilidades de los resultados en el momento de la medición y que pueden interferir y estar correlacionadas con las de otros cúbits. Son esas propiedades las que permiten construir cálculos fundamentalmente diferentes de los realizados por la informática convencional.
El átomo aporta así el soporte físico del cúbit, mientras que los láseres se convierten en una parte esencial del sistema de control. En una computadora clásica, señales eléctricas comandan los transistores. En una arquitectura de átomos neutros, la luz permite en particular enfriar los átomos, atraparlos, preparar y modificar sus estados cuánticos y efectuar las operaciones necesarias para el cálculo. Este dominio debe ser extremadamente preciso, puesto que la información cuántica sigue siendo sensible a las interacciones con su entorno. El desafío consiste en preservar durante el tiempo suficiente las propiedades cuánticas útiles para efectuar las operaciones deseadas, controlando al mismo tiempo los átomos con una fidelidad suficientemente elevada. Esta dificultad no es, por lo demás, propia de los átomos neutros: todas las grandes arquitecturas cuánticas deben resolver, cada una a su manera, el problema del control, de los errores y de la coherencia.
Los átomos neutros presentan aquí una particularidad interesante. Cuando están suficientemente alejados unos de otros, sus interacciones pueden ser relativamente débiles, lo que ayuda a preservar su independencia. Ahora bien, una computadora cuántica también debe poder hacer interactuar sus cúbits para efectuar ciertas operaciones. Para ello, los investigadores utilizan en particular los estados de Rydberg. Con ayuda de láseres, un átomo puede ser excitado temporalmente hacia un estado energético muy elevado en el que su electrón externo ocupa una configuración mucho más extendida. Sus propiedades de interacción con los átomos vecinos cambian entonces considerablemente. Átomos que se influían muy poco pueden interactuar temporalmente de manera mucho más fuerte, antes de volver luego a estados menos interactivos.
Un fenómeno llamado bloqueo de Rydberg permite aprovechar esa interacción para realizar operaciones entre cúbits. Cuando un átomo es excitado a un estado de Rydberg, puede modificar las condiciones que permiten que los átomos vecinos sean excitados a su vez. El comportamiento de un cúbit pasa así a depender del estado de otro de una manera controlable. Esta interacción permite en particular realizar operaciones de varios cúbits y generar entrelazamiento cuántico, un recurso fundamental de numerosos cálculos cuánticos. Empieza entonces a aparecer una verdadera arquitectura informática: los átomos aportan los cúbits, las pinzas ópticas determinan su posición, los láseres controlan sus estados y las interacciones de Rydberg permiten realizar ciertas operaciones entre ellos.
Esta arquitectura atrae particularmente la atención por su potencial de escalabilidad. En ciertas tecnologías cuánticas, aumentar el número de cúbits implica fabricar cada vez más componentes extremadamente precisos y gestionar sus variaciones. Los átomos poseen naturalmente una uniformidad fundamental. El desafío de ingeniería se desplaza, por lo tanto, hacia su preparación, su posicionamiento, su control, su lectura y la fidelidad de las operaciones. Las pinzas ópticas permiten también crear geometrías reconfigurables en lugar de imponer necesariamente una topología enteramente fija en el momento de la fabricación del procesador. Esta flexibilidad puede ser particularmente interesante para ciertas aplicaciones de simulación cuántica, de optimización y de investigación en física.
Sin embargo, sería reduccionista asociar las tecnologías de átomos neutros únicamente a la construcción de computadoras cuánticas universales. También pueden servir para crear simuladores cuánticos, es decir, sistemas cuánticos controlados utilizados para reproducir y estudiar el comportamiento de otros sistemas cuánticos difíciles de simular eficazmente con computadoras convencionales. Estas capacidades pueden contribuir en particular a la investigación en física y en ciencia de los materiales. Las tecnologías atómicas desempeñan también un papel mayor en la medición de muy alta precisión. Las propiedades de los átomos permiten medir el tiempo, los campos eléctricos o magnéticos, la aceleración, la gravedad y distintos fenómenos físicos con una precisión excepcional. Los relojes atómicos constituyen ya un ejemplo concreto de esa contribución. Las tecnologías atómicas pueden así contemplarse en torno a tres grandes capacidades: calcular, simular y medir, a las que pueden añadirse ciertas aplicaciones futuras ligadas a las comunicaciones cuánticas.
Esta diversidad permite también comprender mejor por qué la industrialización de lo cuántico no se reduce a fabricar más cúbits. Incluso cuando los cúbits son átomos suspendidos en el vacío, hay que crear y controlar con precisión la luz que los manipula, producir las trampas ópticas, estabilizar los láseres, mantener el entorno apropiado, medir los estados cuánticos y coordinar el conjunto con sistemas electrónicos e informáticos clásicos. Una computadora cuántica de átomos neutros es, por lo tanto, mucho más que un conjunto de átomos: es una infraestructura compleja que asocia física atómica, fotónica, óptica, electrónica, programas informáticos e informática convencional.
Es precisamente eso lo que vuelve particularmente interesantes iniciativas como Q-PLANET. El programa europeo coordinado por Pasqal reúne 28 organismos de investigación, empresas y grupos universitarios provenientes de 11 Estados miembros de la Unión Europea. Con un programa de unos 50 millones de euros, el objetivo es desarrollar una línea piloto industrial dedicada a los componentes necesarios para las tecnologías cuánticas de átomos neutros. Su primera fase prevé en particular trabajos sobre varios tipos de láseres, “atom chips” destinados al cálculo y a los sensores, así como celdas de vapor microfabricadas que pueden servir para los relojes atómicos y para distintos instrumentos de medición.
La importancia de esta iniciativa supera los componentes mismos. Da testimonio de una evolución fundamental de la industria cuántica. La investigación fundamental sigue siendo esencial, pero otra pregunta va adquiriendo importancia progresivamente: ¿cómo transformar los fenómenos demostrados en los laboratorios en componentes reproducibles, fiables, miniaturizados y fabricados con suficiente constancia para construir verdaderos sistemas industriales? Dicho de otro modo, una parte de la competencia mundial se desplaza progresivamente de la demostración científica hacia la ingeniería, las cadenas de suministro, los métodos de fabricación y la integración. Pasamos gradualmente de la física cuántica a la ingeniería cuántica.
Esta evolución permite también corregir una imagen frecuentemente asociada a la computadora cuántica. Un procesador de átomos neutros no se parece a un servidor convencional que se pudiera simplemente deslizar en un bastidor informático. Requiere en particular un entorno de vacío, sistemas ópticos, varios láseres, equipos de control y una importante infraestructura clásica encargada de pilotar el conjunto. La computadora tradicional no desaparece, por lo tanto, con la llegada de lo cuántico. Prepara las operaciones, controla los equipos, ejecuta ciertas partes de los algoritmos, transmite las instrucciones, recupera los resultados y coordina el recurso cuántico.
Las infraestructuras informáticas del mañana serán verosímilmente híbridas. Los sistemas clásicos seguirán ejecutando la inmensa mayoría de los procesamientos, mientras que ciertas cargas de trabajo podrán confiarse a recursos especializados — aceleradores, inteligencia artificial, cálculo de alto rendimiento o recursos cuánticos — cuando estos aporten una ventaja pertinente. Esta visión es mucho más realista que la de un reemplazo generalizado de los servidores convencionales por computadoras cuánticas.
Las tecnologías de átomos neutros también deben considerarse con la prudencia necesaria en un ámbito todavía en desarrollo. Aumentar el número de átomos controlados representa un avance importante, pero el número de cúbits físicos no basta para determinar la utilidad real de una máquina. La fidelidad de las operaciones, las tasas de error, el tiempo durante el cual pueden mantenerse los estados, la eventual pérdida de átomos, la calidad del control y los mecanismos de corrección de errores cuentan igual. Un sistema que comprende enormes cantidades de cúbits físicos pero incapaz de controlarlos con suficiente precisión no se convierte automáticamente en una computadora cuántica útil. Los anuncios basados principalmente en el número de cúbits deben, por lo tanto, situarse siempre en un contexto tecnológico más amplio.
También hay que recordar que los átomos neutros representan una vía entre varias otras. Los procesadores superconductores aprovechan circuitos eléctricos que funcionan a temperaturas extremadamente bajas, los iones atrapados utilizan átomos cargados mantenidos por campos electromagnéticos y los enfoques fotónicos se apoyan en las propiedades cuánticas de la luz. Otras arquitecturas exploran en particular los espines en los semiconductores. Cada una posee sus ventajas, sus dificultades y sus ámbitos potenciales de aplicación. Todavía es demasiado pronto para determinar qué arquitectura dominará ciertos usos futuros, y varias tecnologías podrían muy bien coexistir porque responderán a necesidades diferentes. El panorama actual se parece más a las primeras décadas de la informática, cuando todavía se exploraban varias arquitecturas fundamentales, que al mercado maduro y ampliamente estandarizado que conocemos hoy.
Para la mayoría de los directivos, esta situación evidentemente no significa que haya que contemplar la compra inmediata de una computadora cuántica de átomos neutros. El interés estratégico consiste más bien en comprender que un nuevo ecosistema industrial se está construyendo progresivamente. Las inversiones públicas y privadas respaldan a fabricantes de procesadores, especialistas de la fotónica, productores de láseres y de componentes, desarrolladores de programas informáticos, centros de cálculo, así como futuras infraestructuras híbridas que reúnen informática clásica, HPC, inteligencia artificial y cuántica. Sectores como las finanzas, la industria farmacéutica, los materiales, la energía, la logística, la defensa, la industria aeroespacial y ciertas industrias científicas podrían eventualmente estar entre los primeros en encontrar aplicaciones concretas.
Comprender las grandes familias tecnológicas permite sobre todo evitar dos lecturas igualmente engañosas: imaginar lo cuántico como una tecnología casi mágica que trastocará de inmediato toda la informática, o considerarlo como una curiosidad científica de la que las organizaciones no tendrían ninguna razón de ocuparse antes de varias décadas. Entre esos dos extremos se encuentra una realidad mucho más interesante: tecnologías todavía imperfectas progresan, componentes empiezan a industrializarse, cadenas de suministro se estructuran y un ecosistema se construye. Para las organizaciones, la preparación consiste ante todo en comprender esa evolución, en seguir los ámbitos donde podría volverse pertinente y en conservar suficiente agilidad arquitectónica para poder integrar nuevas capacidades cuando alcancen la madurez necesaria.
Las tecnologías cuánticas de átomos neutros pueden parecer extremadamente complejas cuando se describen con el vocabulario de la física, pero su principio fundamental sigue siendo asombrosamente concreto. Átomos eléctricamente neutros son enfriados e inmovilizados con ayuda de luz. Algunos de sus estados sirven de soporte a los cúbits. Los láseres permiten controlar esos estados y llevar temporalmente los átomos a estados de Rydberg donde sus interacciones se vuelven suficientemente fuertes para efectuar ciertas operaciones cuánticas. Alrededor de esos átomos se construye luego toda una infraestructura de fotónica, de óptica, de electrónica, de programas informáticos y de sistemas informáticos clásicos.
Es probablemente a ese nivel donde iniciativas como Q-PLANET cobran toda su importancia. Dan testimonio del paso progresivo entre un mundo en el que los investigadores demuestran lo que permiten ciertos fenómenos cuánticos y aquel en el que los ingenieros deben aprender a transformar esos fenómenos en componentes reproducibles, fiables, integrables y eventualmente industrializables. El desafío ya no consiste únicamente en probar que la tecnología funciona. Hay que aprender a fabricarla, controlarla, integrarla y hacerla evolucionar.
Para Quantum Beyond, seguir esta evolución se inscribe en una comprensión mucho más amplia de las infraestructuras digitales que se preparan. El cálculo cuántico, las comunicaciones cuánticas, las tecnologías poscuánticas, la inteligencia artificial y la informática clásica probablemente no se desarrollarán en universos independientes. Formarán progresivamente entornos híbridos cuyas capacidades, dependencias y riesgos, así como sus implicaciones en materia de ciberseguridad, de arquitectura y de soberanía, las organizaciones deberán comprender. Nuestro papel consiste en ayudar a las organizaciones a comprender esas transformaciones, a distinguir las posibilidades reales de los efectos de anuncio y a preparar arquitecturas capaces de integrar las tecnologías emergentes cuando creen un valor concreto.
No es necesario, por lo tanto, volverse físico para empezar a comprender las tecnologías cuánticas de átomos neutros. Una imagen permite ya captar lo esencial: hemos aprendido a atrapar átomos con luz, a alinearlos, a controlar sus estados y a hacerlos interactuar. Ahora intentamos transformar ese extraordinario dominio de la materia en una nueva generación de tecnologías.