Helios, el nuevo ordenador cuántico de Quantinuum con 98 cúbits, destaca, entre otras cosas, por su bajísima tasa de errores. Lo que supone un serio avance en la computación cuántica práctica

En un laboratorio en Broomfield, Colorado, 98 átomos están suspendidos en el aire, mantenidos en su lugar por campos eléctricos y enfriados a temperaturas próximas al cero absoluto. Cada átomo es mucho más pequeño de lo que el ojo humano podría ver jamás, pero cada uno almacena información en una forma que no tiene equivalente en la física clásica.

Juntos, forman Helios, un nuevo ordenador cuántico construido por la empresa angloamericana Quantinuum. Los ordenadores cuánticos aprovechan el poder de la mecánica cuántica, las reglas que rigen el funcionamiento de la física a escalas atómica y subatómica. Los que emplean el modelo de Helios basado en átomos suspendidos se denominan de iones atrapados.

Un artículo publicado en Nature lo describe como un procesador de 98 cúbits con una precisión y un rendimiento muy elevados que va más allá de lo que puede simularse fácilmente en máquinas clásicas. Eso suena impresionante, pero la pregunta importante no es simplemente si se trata de un ordenador cuántico más grande (el anterior más grande, el System Model H2, tenía 56 cúbits). La cuestión es si es mejor.

Los ordenadores cuánticos no son simplemente versiones más rápidas de los ordenadores convencionales. Los cúbits (bits cuánticos) que utilizan para procesar información pueden existir en estados cuánticos que no se comportan como los unos y ceros de la tecnología digital convencional.

Esto permite organizar ciertos cálculos de formas que podrían llegar a superar incluso a los superordenadores más potentes. Las posibles aplicaciones son fascinantes: nuevos materiales, mejores métodos de optimización, simulaciones químicas más avanzadas y nuevos enfoques de la criptografía.

La dificultad radica en que los cúbits son extremadamente frágiles. Se ven perturbados por variaciones de temperatura, un control imperfecto, interacciones no deseadas con el entorno y, en algunos sistemas, incluso por el simple hecho de mover información dentro del dispositivo.

Por esta razón, la carrera en la computación cuántica no consiste solo en tener más cúbits. Se trata de tener más cúbits de buena calidad, controlados con suficiente precisión para realizar cálculos largos y significativos.

Por qué importa

Por eso importa el resultado de Helios. La computación cuántica lleva décadas prometiendo cambiar el mundo, pero muchos anuncios siguen centrándose en el número de cúbits. Esto es como juzgar una carrera por el número de corredores en la línea de salida. Lo que importa es cuántos llegan a la meta y en qué condiciones.

Helios afronta con seriedad ambas vertientes del reto. No solo cuenta con 98 cúbits, una cifra relativamente elevada; también presenta tasas de error muy bajas a esta escala. Los errores son más frecuentes en los ordenadores cuánticos que en los clásicos, por lo que la corrección de errores es uno de los grandes retos en este campo.

El artículo de Nature indica una tasa de error media para puertas de un solo cúbit de aproximadamente 2,5 por cada 100.000 en Helios. Una puerta cuántica es el componente básico de un circuito en los ordenadores cuánticos. Para las puertas de dos cúbits en Helios, que son más complejas y más importantes para la computación útil, la tasa de error media es de aproximadamente 7,9 por cada 10.000. Esto es comparable a las mejores demostraciones conocidas, situadas en torno a 5 errores por cada 10.000.

Las operaciones cuánticas son acumulativas. Un pequeño error en un paso puede no tener gran importancia, pero un algoritmo cuántico útil puede requerir miles, millones o más operaciones. Unas tasas de error más bajas permiten que cálculos más complejos sean posibles antes de que la información cuántica se degrade.

Otra característica destacada de Helios es su conectividad total. En muchos ordenadores cuánticos, los cúbits solo pueden interactuar con sus vecinos más próximos, como personas que únicamente pueden hablar con quienes tienen al lado. Si dos cúbits distantes necesitan interactuar, la información debe trasladarse a través de una cadena de pasos intermedios. Cada paso adicional añade tiempo y error.

En Helios, cualquier cúbit puede en principio interactuar con cualquier otro. Esto resulta especialmente valioso para algoritmos en los que el patrón de interacciones requerido no encaja fácilmente en una cuadrícula fija.

El ferrocarril cuántico

El hardware que hay detrás también es interesante. Los ordenadores cuánticos de iones atrapados, como Helios, utilizan átomos cargados como cúbits. Estos iones se mantienen mediante campos eléctricos y se manipulan con pulsos láser.

Este enfoque es conocido por su alta precisión, pero escalarlo manteniendo esa precisión es técnicamente complejo. Helios emplea iones de bario en lo que se denomina una arquitectura de dispositivo cuántico de carga acoplada, o QCCD. Una forma útil de imaginarlo es como un pequeño ferrocarril cuántico.

Los iones pueden almacenarse en regiones de memoria y desplazarse físicamente hacia zonas de operación cuando el programa informático necesita realizar un cálculo con determinados cúbits. En esas zonas de operación, pulsos láser cuidadosamente controlados ejecutan los pasos básicos de un algoritmo cuántico, conocidos como puertas cuánticas. Estas puertas cambian el estado cuántico de un ion, o enlazan los estados de dos iones, permitiendo al ordenador procesar información. En Helios, un área de almacenamiento en forma de anillo y un nodo de conexión ayudan a dirigir los iones por el dispositivo.

Esta separación entre almacenamiento, movimiento y cómputo no es solo una solución ingeniosa de ingeniería. Es una señal de que la computación cuántica se asemeja cada vez más a un sistema informático completo, en lugar de a un conjunto de impresionantes componentes de laboratorio.

La máquina también emplea programas informáticos capaces de tomar decisiones de enrutamiento y control mientras se ejecuta un programa. En la práctica, esto significa decidir qué ion físico debe representar cada cúbit, qué iones deben desplazarse a las zonas de operación y en qué orden deben ejecutarse las puertas cuánticas. Esto es importante para programas cuánticos más avanzados, especialmente aquellos en los que pasos posteriores pueden depender de mediciones realizadas durante el cómputo.