Tecnologías cuánticas

La computación cuántica besa el cielo

Materia cuántica topológica creada en laboratorio puede realizar cálculos cuánticos y funcionar aunque tenga fallos

El entrelazamiento de anyones no abelianos genera una computación en forma de nudos que recuerda al Quipu andino.

El entrelazamiento de anyones no abelianos genera una computación en forma de nudos que recuerda al Quipu andino. / Google Quantum AI.

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe

Dos empresas norteamericanas han creado por primera vez materia cuántica topológica y conseguido que realice cálculos cuánticos, lo que representa un impulso largamente buscado para los ordenadores cuánticos tolerantes a fallos.

Un nuevo salto tecnológico tiene el potencial de impulsar la computación cuántica, y, como casi todo lo que ocurre en el mundo cuántico, se entiende mejor recurriendo a una metáfora.

Imaginemos dos balones idénticos que están uno junto al otro. Cerramos los ojos y si no media ningún apoyo externo (como una grabación de video) no podemos saber, al abrirlos de nuevo, si los dos balones han intercambiado sus posiciones.

Ningún balón puede indicarnos si el que está ahora a la derecha estaba antes a la izquierda o viceversa. Y no hace falta que sean balones, si nos vamos al mundo de las partículas elementales, tampoco podemos saber si una de ellas nos la ha jugado e intercambiado su posición con otra gemela cuando hemos parpadeado.

Potencial tecnológico

Como la mayoría de las cosas que pasan a niveles tan pequeños de la materia, la primera impresión que surge de estos ejemplos es que observar y pensar en esas cosas no tiene ningún sentido: más bien parece que es solo una forma de entretenimiento estéril, sin ninguna aplicación práctica aprovechable.

En realidad, esa limitación para conocer si una partícula ha podido intercambiarse con otra tiene una gran importancia para la física, porque esa eventualidad nos permitiría desarrollar algunas tecnologías con las que llevamos soñando hace mucho tiempo.

Porque ¿qué pasaría si uno de los balones, o una de las partículas, tuvieran la capacidad de memorizar su posición?

Pues, que podríamos averiguar si se ha quedado quieta o si ha intercambiado su posición con su gemelo en algún momento en el que no estábamos mirando. Y tal vez aprovechar esa memoria imperceptible para realizar cálculos computacionales insólitos.

Cuasipartículas con recuerdos

Hasta ahora, los físicos han descubierto que, aunque no hay partículas con esa capacidad de memoria, sí hay cuasipartículas que pueden tener “recuerdos” de su pasado inmediato.

Las cuasipartículas son otra de las maravillas del mundo cuántico: son excitaciones cuánticas formadas por partículas más pequeñas (cuasipartículas) que, juntas, actúan como si fueran una sola partícula con comportamiento predecible.

El ejemplo más claro de cuasipartículas es un banco de peces en el mar: se comporta como una unidad mayor durante un tiempo, pero en realidad no forma una nueva realidad de pez. Sólo desarrolla en conjunto un comportamiento colectivo. En ese momento, forma lo que podríamos llamar un “cuasipez” enorme.

Anyones particulares

Unas de las cuasipartículas son los así llamados anyones, que tienen algunas particularidades: solo existen en dos dimensiones físicas y además son susceptibles de funcionar en un modo de entrelazamiento o anudamiento muy particular que los convierten en hebras dinámicas que cruzan el espacio-tiempo tridimensional.

Su comportamiento sigue reglas matemáticas estructuradas y su movimiento, aunque está restringido a un espacio bidimensional, no las convierten ni en bosones ni en fermiones, los dos tipos básicos de partículas elementales presentes en la naturaleza.

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La IA se apoyará en materiales bidimensionales, embebidos en sistemas circulantes de anyones. / John Deacon en Pixabay.

Línea del mundo de las partículas

El profesor Alberto Requena explica al respecto que, como las reglas para el comportamiento de los anyones son sensibles al movimiento de las cuasipartículas con el tiempo, los anyones tienen una especie de “memoria”.

Y esta es una de las claves de su importancia tecnológica: esa "memoria" de los anyones puede considerarse como una línea continua en el espacio-tiempo que sería la llamada "línea del mundo" de la partícula.

Por línea del mundo de una partícula debemos entender los eventos que le suceden: tienen una secuencia temporal entre sí y con el evento inicial. En esos casos, una partícula sigue una línea del mundo similar a la línea del tiempo.

Operaciones computacionales

Cuando se intercambian dos anyones, esas líneas del mundo, es decir, el “recuerdo” o impacto ambiental de esos episodios que han vivido las partículas secuencialmente, se entrelazan también entre sí, explica Requena.

Esos recuerdos influyen en la forma en la que vibran, lo que convierte a los anyones en una forma atractiva de hacer computación cuántica: pueden ejecutar operaciones computacionales más modernas que las del Quipu andino, una tecnología inca para la computación y encriptación basada en nudos (como los nudos de los anyones) que tiene más de 4.500 años de antigüedad.

Eso significa que los sistemas de muchos anyones pueden dar lugar a memorias colectivas grandes, susceptibles de ser utilizadas a gran escala como plataformas para la computación. Sería como utilizar la dinámica interna de los bancos de peces, o los nudos del Qipu, para realizar tareas computacionales complejas.

Esta posibilidad, llamada “computación cuántica topológica”, se ha convertido en una alternativa teórica para la construcción de los ordenadores más avanzados: fue escogida por Microsoft para ganar la carrera en la computación cuántica, frente a sus rivales como IBM o Google, o incluso China y en menor medida Europa.

Sueño hecho realidad

La revista Nature anuncia ahora que investigadores de Google Quantum AI han confirmado experimentalmente esa hipótesis: no solo han utilizado uno de sus procesadores cuánticos superconductores para observar el comportamiento peculiar de los anyones no abelianos por primera vez, sino que también han comprobado cómo este fenómeno podría aprovecharse para realizar cálculos cuánticos.

En primer lugar, comprobaron que los anyones no abelianos tienen memoria: cuando se intercambian dos de ellos, se produce un cambio medible en el estado cuántico de su sistema, una “pista” de su memoria que nunca se había observado.

Cálculos cuánticos robustos

En segundo lugar, el equipo demostró cómo se podría utilizar el trenzado de anyones no abelianos para realizar cálculos cuánticos, valiéndose para ello de un estado cuántico que involucra al menos tres subsistemas.

Este trenzado permite codificar la información de una manera más robusta que otras posibles tecnologías de computación cuántica, según estos autores. Además, es un sistema computacional tolerante a fallos, es decir, que puede funcionar aunque tenga algunos fallos.

Con pocos días de diferencia, la empresa de computación cuántica Quantinuum publicó otro estudio sobre el tema, que complementa el descubrimiento inicial de Google.

Asegura que su nueva computadora cuántica H2 creó también materia cuántica topológica no abeliana y trenzó sus anyones, de forma similar a como lo ha hecho Google, aunque se considera que, más que crear anyones, lo que ha conseguido esta empresa es simularlos, lo que a efectos prácticos no altera su potencial tecnológico.

Impulso a la computación cuántica

Ambos resultados abren un nuevo camino hacia la computación cuántica topológica, en el que las operaciones computaciones se consiguen enrollando anyones entre sí como si fueran los hilos de una trenza en el seno de un procesador cuántico.

Y una previsión interesante: si la computación topológica eventualmente lidera la potencia de los ordenadores cuánticos, la inteligencia artificial residirá en materiales bidimensionales, embebidos en sistemas circulantes de anyones, señala Requena. ¡Vaya que no es importante saber si los balones, las partículas o las cuasipartículas han intercambiado posiciones entre ellas sin que nos hayamos dado cuenta!

Referencias

Non-Abelian braiding of graph vertices in a superconducting processor. Google Quantum AI and Collaborators. Nature 2023. DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-023-05954-4

Creation of Non-Abelian Topological Order and Anyons on a Trapped-Ion Processor. Mohsin Iqbal et al. arXiv:2305.03766v1. DOI:https://doi.org/10.48550/arXiv.2305.03766

Anyones Y Qupartículas. Alberto Requena Rodríguez, Academia de Ciencias de la Región de Murcia (2018).