Metamateriales, la nueva puerta a la computaci¨®n cu¨¢ntica

Los m¨¢s devotos de la f¨ªsica cu¨¢ntica y de su potencial en la computaci¨®n llevan un tiempo ganando apuestas. Ad¨¢n Cabello, de la Universidad de Sevilla, ya tiene apalabrada una cena en Roma por haber augurado hace una d¨¦cada el reciente premio Nobel. Por el contrario, el investigador espa?ol asentado en Austria Miguel Navascu¨¦s perdi¨® hace cuatro a?os 50 euros en hamburguesas porque no esperaba el control de 50 c¨²bits (elemento b¨¢sico de la computaci¨®n cu¨¢ntica) antes de 2050. El tiempo ha dado la raz¨®n a los m¨¢s optimistas, pero esta ciencia sigue afrontando desaf¨ªos fundamentales: aumentar la capacidad de los ordenadores y reducir los errores. El murciano Alejandro Gonz¨¢lez Tudela, investigador cient¨ªfico en el Instituto de F¨ªsica Fundamental del CSIC, a sus 37 a?os, se ha propuesto abrir una nueva puerta para intentar solventarlos: combinar las in¨¦ditas capacidades de los metamateriales (estructuras dise?adas con caracter¨ªsticas inusuales) con las propiedades cu¨¢nticas de la luz. Su trabajo le ha valido una beca Leonardo de la Fundaci¨®n BBVA, dotadas con hasta 40.000 euros por proyecto. El total de ayudas desde la creaci¨®n del programa, en 2014, ha sido de 20 millones.

En computaci¨®n convencional, la unidad b¨¢sica de informaci¨®n es el bit, que puede tener dos valores: 0 y 1. Las combinaciones de estos ya da una capacidad extraordinaria. Pero en computaci¨®n cu¨¢ntica, el elemento fundamental es el c¨²bit (quantum bit), un sistema cu¨¢ntico que puede encontrarse en dos estados (0 y 1) o en cualquier superposici¨®n de ellos. La consecuencia es que el uso de c¨²bits permite trillones de combinaciones de bits y por lo tanto, infinitas posibilidades de computaci¨®n. Seg¨²n escribe Alberto Casas, investigador del CSIC y autor de La revoluci¨®n cu¨¢ntica (Ediciones B, 2022), ¡°un ordenador cu¨¢ntico de 273 c¨²bits tendr¨¢ m¨¢s memoria que ¨¢tomos tiene el universo observable¡±.

El problema es que esa propiedad cu¨¢ntica de la superposici¨®n es por ahora esquiva y estable solo durante poco tiempo. Cualquier m¨ªnima circunstancia del entorno (temperatura, ruido electromagn¨¦tico o vibraci¨®n) la degrada e imposibilita la computaci¨®n efectiva cu¨¢ntica, realizar c¨¢lculos pr¨¢cticos a gran escala de forma robusta. Este efecto se conoce como decoherencia.

Una reciente investigaci¨®n, publicada en Nature Physics por cient¨ªficos de Reino Unido y de las universidades de Arizona (EE UU) y Zhejiang (China), ha utilizado un procesador superconductor programable con 30 c¨²bits y demostrado que ¡°pueden ajustarse para interactuar entre s¨ª mientras se mantiene la coherencia durante un tiempo sin precedentes¡±. Tambi¨¦n se utiliza la correcci¨®n de errores, pero esta t¨¦cnica exige afrontar uno de los desaf¨ªos de la computaci¨®n cu¨¢ntica: aumentar significativamente el n¨²mero de c¨²bits.

La v¨ªa que investiga Gonz¨¢lez Tudela va en una direcci¨®n novedosa: usar metamateriales, estructuras dise?adas con propiedades inusuales, para crear dispositivos cu¨¢nticos con m¨¢s c¨²bits sin aumentar los niveles de error. ¡°En estos metamateriales¡±, seg¨²n explica el investigador, ¡°se modulan sus propiedades por debajo de la longitud de onda para conseguir respuestas tan ex¨®ticas como que un material sea invisible o que focalicen la luz m¨¢s all¨¢ de los l¨ªmites¡±.

¡°La hip¨®tesis de partida¡±, seg¨²n precisa el investigador del CSIC, ¡°se fundamenta en que la luz tiene una coherencia muy buena [preserva f¨¢cilmente sus propiedades cu¨¢nticas], por lo que el objetivo es explotar estas respuestas muy fuertes que tienen los materiales con la luz para mejorar las fidelidades¡±.

Ventaja y desventaja

La idea es aprovechar esa capacidad de la luz para mantener sus propiedades cu¨¢nticas, ya que interact¨²a muy poco con el ambiente. Sin embargo, el mismo investigador admite que esta caracter¨ªstica es, al mismo tiempo una desventaja: ¡°Es dif¨ªcil de manipular¡±.

Ah¨ª es donde entra su investigaci¨®n sobre metamateriales, que ha avanzado en los ¨²ltimos dos a?os tras el dise?o de una red de ¨¢tomos separados por distancias muy cortas que permite aprovechar el comportamiento cu¨¢ntico de la luz.

¡°Al colocar los ¨¢tomos a distancias muy peque?as, se comportan de manera colectiva y pueden tener interacciones muy fuertes con la luz¡±, explica Gonz¨¢lez Tudela. De esta forma, el investigador pretende avanzar en el control de la luz con el uso de metamateriales y as¨ª sortear esa desventaja que supone la dif¨ªcil manipulaci¨®n de las part¨ªculas con un comportamiento cu¨¢ntico m¨¢s coherente.

El objetivo final es que ese hardware (elemento f¨ªsico o material de las computadoras y sistemas inform¨¢ticos) resuelva el problema de escalabilidad, la construcci¨®n de un ordenador cu¨¢ntico con mayor n¨²mero de c¨²bits y menos errores.

¡°Es interesante¡±, comenta Gonz¨¢lez Tudela, ¡°explorar paradigmas alternativos. No digo que mi propuesta vaya a ser la que resuelva el problema, que suponga el gran cambio o la plataforma definitiva. Ahora mismo, las mejores las implementaciones son iones atrapados en circuitos superconductores, pero tambi¨¦n hay tecnolog¨ªa cu¨¢ntica basada en fotones. Quiz¨¢s, el gran salto adelante venga de una cosa que est¨¢ fuera del radar o de una mezcla¡±.

Pero este investigador resalta la necesidad de abrir nuevos caminos como el que ha obtenido la beca Leonardo. De la misma opini¨®n es Alberto Casas, quien escribe: ¡°El futuro de la computaci¨®n cu¨¢ntica es una inc¨®gnita, pero, indudablemente, merece la pena explorarlo¡±.

Este valor potencial de la computaci¨®n cu¨¢ntica no es resolver los problemas factoriales como los planteados hasta ahora m¨¢s para poner a prueba el sistema que como aplicaci¨®n pr¨¢ctica. Ni siquiera para responder a preguntas log¨ªsticas como ?cu¨¢l es la mejor ruta para unir ciudades? Las mayores esperanzas de esta tecnolog¨ªa son, seg¨²n explica Gonz¨¢lez Tudela, adem¨¢s de la criptograf¨ªa, que permitir¨ªa una comunicaci¨®n segura, ¡°ciertos problemas de f¨ªsica o de qu¨ªmica¡±. ¡°Son las cuestiones de muchos cuerpos, con muchos elementos que interaccionan entre ellos y que son dif¨ªciles de resolver en ordenadores cl¨¢sicos¡±, comenta.

En este sentido, el investigador se?ala la ¡°ventaja exponencial¡± que supondr¨¢ la computaci¨®n cu¨¢ntica para la industria farmac¨¦utica, en la b¨²squeda de terapias personalizadas. Y a?ade: ¡°Puede ser que se encuentren otros problemas que ahora mismo no se sabe que podr¨ªan tener una ventaja cu¨¢ntica o que se desarrollen aplicaciones que ahora no se piensan¡±.

Cerebros cu¨¢nticos

En este sentido, cient¨ªficos del Trinity College de Dubl¨ªn han publicado una investigaci¨®n en Journal of Physics Communications tras la que creen haber descubierto que los cerebros, la consciencia y los procesos de memoria a corto plazo muestran comportamientos cu¨¢nticos. ¡°Los procesos cerebrales cu¨¢nticos podr¨ªan explicar por qu¨¦ todav¨ªa podemos superar a las supercomputadoras cuando se trata de circunstancias imprevistas, toma de decisiones o aprendizaje de algo nuevo¡±, afirma Christian Kerskens, coautor del art¨ªculo y miembro del Instituto de Neurociencia de la universidad irlandesa. Seg¨²n los investigadores, ¡°si se confirmaran los resultados, probablemente con enfoques multidisciplinarios avanzados, mejorar¨ªa la comprensi¨®n general de c¨®mo funciona el cerebro y ayudar¨ªa a encontrar tecnolog¨ªas innovadoras y construir computadoras cu¨¢nticas a¨²n m¨¢s avanzadas¡±.

Espa?a se mantiene en la carrera cu¨¢ntica no s¨®lo en investigaci¨®n b¨¢sica sino tambi¨¦n en los desarrollos tecnol¨®gicos. El Barcelona Supercomputing Center - Centro Nacional de Supercomputaci¨®n (BSC-CNS) ha sido seleccionado para formar parte del consorcio de supercomputaci¨®n de la UE, la European High Performance Computing Joint Undertaking, para albergar y operar los primeros ordenadores cu¨¢nticos EuroHPC. La nueva infraestructura se instalar¨¢ y se integrar¨¢ en el superordenador MareNostrum 5, el m¨¢s potente de Espa?a y de los m¨¢s avanzados de Europa. La inversi¨®n para esta parte del programa QuantumSpain ser¨¢ de 12,5 millones de euros, cofinanciados al 50% por la UE y la Secretar¨ªa de Estado de Digitalizaci¨®n e Inteligencia Artificial (SEDIA). ¡°Esta nueva infraestructura, que integrar¨¢ la computaci¨®n cu¨¢ntica con MareNostrum 5, nos permitir¨¢ avanzar en m¨²ltiples aplicaciones acad¨¦micas¡±, afirma Mateo Valero, director del BSC-CNS en un comunicado de la instituci¨®n. Las instalaciones de Barcelona conformar¨¢n una red con los superordenadores de Alemania, Chequia, Francia, Italia y Polonia para atender la creciente demanda de recursos de computaci¨®n cu¨¢ntica y nuevos servicios potenciales por parte de la industria y la investigaci¨®n europeas en ¨¢mbitos como la salud, el cambio clim¨¢tico, la log¨ªstica o el uso de la energ¨ªa.

Puedes escribirnos a rlimon@elpais.es, seguir a EL PA?S TECNOLOG?A en Facebook y Twitter y apuntarte aqu¨ª para recibir nuestra newsletter semanal