En computación el bit es la unidad de información y puede tomar sólo dos valores, usualmente representados por 1 y 0. El quantum bit (qbit, qubit o cúbit) da la posibilidad de introducir más valores en un mismo emisor-receptor de datos sobre la base de razonamientos cuánticos.
Un cúbit se puede definir como un sistema cuántico donde, además de poder encontrarse en los dos estados básicos 1 y 0, es capaz de adoptar un estado adicional de superposición cuántica que combina esos dos estados. No es posible describir la superposición de estados a partir de criterios clásicos, sino solo a partir de la mecánica cuántica. Esto hace que el cúbit sea diferente del bit clásico en su esencia, y también un concepto difícil de explicar a los no familiarizados con la mecánica cuántica. No hay algún análogo clásico con el que se pueda comparar; a lo más, sólo se pueden comentar algunas paradojas a las que da lugar. Algo de esto se verá en lo que sigue.
El cúbit es un concepto abstracto; no obstante, existen sistemas físicos concretos que ‒ en condiciones muy específicas ‒ se comportan como cúbits o conjuntos de cúbits, y es posible trabajar con ellos para realizar cálculos matemáticos. Por ejemplo, los átomos de cromo implantados en una matriz de carburo de silicio se pueden utilizar como cúbits. Junto al entrelazamiento cuántico, el cúbit constituye la esencia de las investigaciones contemporáneas sobre la computación cuántica.
Computadoras cuánticas
Los primeros intentos de construir una computadora cuántica en los EE.UU se llevaron a cabo en el Laboratorio Nacional de los Álamos y en el Centro de Investigaciones de Almaden de la IBM, en el año 2000. El término cúbit lo introdujo el físico teórico Benjamín Schumacher, profesor del Kenyon College, en Ohio, quien descubrió una forma de almacenar información de forma reducida, lo que ahora se conoce como compresión de Schumacher.
En la actualidad existen prototipos de procesadores o chips cuánticos experimentales que funcionan con cientos de cúbits, pero tienen el inconveniente de que necesitan refrigeración hasta llegar casi el cero absoluto (- 273 ºC), pues se fabrican con superconductores que necesitan esa temperatura para poder trabajar. De ahí que sean necesarias instalaciones especiales de enfriamiento de gran volumen como la de la figura, en Berkeley, California. En 2024 se creó en Rusia una computadora de 50 cúbits sobre iones, así como otro prototipo con átomos neutros de rubidio; hasta el momento, sólo seis países poseen computadoras cuánticas con capacidad de 50 cúbits o más.
El 8 de febrero de este año la empresa estatal ROSATOM inauguró una exposición en el Museo del Átomo de Moscú sobre las “direcciones prometedoras en el campo de la computación cuántica”, con el fin de presentar las líneas generales de su nuevo proyecto cuántico. Con este fin se ha organizado un equipo de investigadores que incluye a más de 600 científicos pertenecientes a unas 20 universidades e institutos. Las líneas generales del programa para 2025-2030 consisten en dominar el uso industrial de las tecnologías cuánticas, construir los elementos básicos de una industria cuántica competitiva a escala internacional e iniciar las investigaciones sobre ‘sensores cuánticos’.
Las computadoras experimentales que utilizan los sistemas cuánticos se encuentran muy lejos de las computadoras convencionales, tanto en tamaño como en las posibilidades de uso y aplicación. Se estima que pasarán bastantes años antes de llegar a las computadoras personales y laptops, si es que eso llega a ser posible. Algunas noticias en la prensa sobre ‘realizar en minutos operaciones que en las convencionales tardarían septillones de años’ se refieren a pruebas de banco en el laboratorio, en operaciones muy limitadas y específicas, tienen más bien carácter promocional que científico, y quizás algo de sensacionalismo; las computadoras cuánticas domésticas no están a la vuelta de la esquina.
El ruido electrónico
La informática cuántica tiene potencial para llevar a cabo cálculos con mucha mayor rapidez que las actuales, que usan dispositivos semiconductores construidos a base de silicio como componente mayoritario. Sin embargo, los cúbits son muy delicados. Solo funcionan cuando se mantienen en un estado de coherencia, lo que significa que deben mantener su estado cuántico el tiempo suficiente para realizar los cálculos. La coherencia se ve fácilmente alterada por factores ambientales, tales como los cambios de temperatura o el ‘ruido’ electromagnético, de ahí la necesidad de temperaturas extremadamente bajas para evitar interferencias.
La alta tasa de errores a causa del ruido es una de las principales barreras para lograr que las computadoras cuánticas funcionen mejor que las supercomputadoras convencionales más rápidas. En un proceso corriente, este ruido causa fallos que ocurren en una proporción de 1 en 1000 operaciones; en una computadora convencional a semiconductores los fallos son mucho menores, sólo uno en cada mil billones. Y es por esto que las investigaciones se han centrado esencialmente en construir computadoras cuánticas con cúbits mejorados, que presenten una menor propensión a los errores, y no en computadoras que contengan más cúbits.
En las computadoras convencionales se aplican métodos de corrección que logran eliminar más errores de los que se introducen. Cuando algo similar se alcance en la tecnología cuántica, será posible ampliar la escala de un ordenador cuántico para aumentar la cantidad de cúbits de manera que los errores sigan disminuyendo. Algunos opinan que lograr la eliminación de los errores “… ha sido un desafío extraordinario durante 30 años, desde que se concibió la idea de la corrección de errores cuánticos a mediados de los años 90”.
La figura muestra la que se supone sea la supercomputadora más rápida del mundo: El Capitán, que comenzó a funcionar regularmente en el Lawrence Livermore National Laboratory de California, EE.UU. en noviembre de 2024 y fue inaugurada oficialmente en enero de este año. A modo de comparación, si designamos una operación de punto flotante por segundo por FLOPS (floating-point operations per second), mientras que las mejores laptops trabajan en el intervalo de gigaFLOPS (unos 109 FLOPS), El Capitán es capaz de trabajar a un máximo de 2.7 exaFLOPS (2.7 x 1018 FLOPS): la velocidad de una laptop multiplicada 109 veces. A grosso modo, una laptop necesitaría unos 30 años para hacer las operaciones que El Capitán puede hacer en 1 segundo.
Avances recientes
En días recientes la empresa irlandesa de computación cuántica Equal1, con sede en Dublín, creó una unidad de procesamiento cuántico mejorado a partir de semiconductores convencionales, así como un controlador con características similares. Igual que sus predecesoras, también funciona a temperaturas ultrabajas (0.3 kelvin), pero muestra una vía para manejar a la vez una gran cantidad de bits cuánticos de información de forma estable, con pocos errores y alta precisión en los cálculos. El controlador cuenta con una tecnología de corrección de errores impulsada por inteligencia artificial (IA), lo que permite realizar ajustes en tiempo real para mantener la estabilidad y precisión de las operaciones cuánticas.
Los metales superconductores requieren procesos de fabricación costosos y complejos. La innovación de esta empresa permite usar el silicio (Si), uno de los materiales abundantes y más utilizados en la industria de los semiconductores, mezclado con germanio (Ge). El SiGe combina la estabilidad del silicio con la capacidad del germanio para mejorar el rendimiento electrónico, y lo hace muy adecuado para aplicaciones cuánticas. Los chips de SiGe se pueden producir utilizando los mismos procesos y fábricas que ya se utilizan para fabricar chips tradicionales, lo que da la posibilidad de producir procesadores cuánticos mejores y más baratos.
El gato de Schrödinger y los errores en la computación cuántica
El experimento del gato de Schrödinger, también conocido como paradoja de Schrödinger, es un experimento imaginario concebido por el físico Erwin Schrödinger para exponer una de las interpretaciones más paradójicas de la mecánica cuántica. Consiste en lo siguiente: en una caja opaca hay un gato, una botella con veneno gaseoso y una partícula radiactiva con 50% de probabilidad de desintegrarse en determinado intervalo de tiempo t. Si la partícula se desintegra, el veneno se libera y el gato muere.
Al cabo de un tiempo t hay 50% de probabilidad de que el gato esté vivo, y la misma de que esté muerto. Según la mecánica cuántica, el sistema se describe por una función de onda que superpone los estados ‘vivo’ y ‘muerto’, de manera que el gato está vivo y muerto a la vez (principio de superposición). Solo cuando se abre la caja para comprobar si el gato sigue vivo o no, se perturba la superposición y se llega a conocer si el gato está vivo o está muerto.
Justamente ahí radica la paradoja, pues mientras que el punto de vista clásico el gato estará vivo o muerto antes de que abramos la caja y comprobemos su estado, en la mecánica cuántica el sistema se encuentra en una superposición de los posibles estados vivo/muerto hasta que interviene el observador, lo que contradice la física clásica y la lógica convencional. El paso de estados superpuestos a un estado definido se produce como consecuencia del proceso de verificación/medición, y el estado final del sistema no se puede conocer de antemano: solo la probabilidad de obtener cada resultado.
Y la cuestión esencial es que, en la práctica, los electrones se comportan igual que el gato en la caja. La naturaleza de este proceso, esencialmente cuántico, ha dado lugar a distintas interpretaciones de carácter especulativo, entre las que se encuentran ‒ por sólo mencionarlas ‒ la interpretación de Copenhague, la interpretación de los ‘muchos mundos’ o ‘mundos paralelos’, y algunas otras.
Pues bien, para solucionar los posibles errores de computación, es decir, que el ‘gato’ pueda aparecer vivo o muerto antes de tiempo, los investigadores incorporaron al chip de silicio un átomo de antimonio, que tiene ocho posibles estados cuánticos que se corresponden con ocho diferentes orientaciones del espín (el análogo clásico del espín consiste en una rotación del electrón sobre su eje). En este caso un solo error no es suficiente para destruir la información codificada. Según un entrevistado, “el gato metafórico tiene siete vidas: se necesitan siete errores consecutivos para sacar al gato de la caja y convertir un 0 en un 1”.
Otro de los coautores del proyecto ha declarado a la prensa: “Si ocurre un error, lo detectamos inmediatamente y podemos corregirlo antes de que se acumulen más errores. Siguiendo con la metáfora del gato de Schrödinger, es como si viéramos a nuestro gato llegar a casa con un gran arañazo en la cara; está lejos de estar muerto, pero sabemos que se peleó; podemos ir y encontrar quién provocó la pelea, antes de que vuelva a suceder y nuestro gato sufra más lesiones”.
Hay grupos de investigación trabajando en el tema en otros lugares. Un extenso estudio publicado en enero de este año en la universidad de Zhejiang, una de las instituciones de educación superior más antiguas y prestigiosas de China continental y firmado por 35 colaboradores de esa y otras instituciones, reportó otro método de eliminación de errores nombrado ZNE por sus siglas en inglés (extrapolación a ruido cero); este método fue desarrollado en sus orígenes para eliminar el ruido en los bits clásicos. Al parecer, los experimentos se realizaron en procesadores desarrollados en el Centro de Fabricación Micro-Nano de la propia universidad.
La otra paradoja
Otra paradoja importante en el universo de la computación cuántica es la ‘paradoja EPR’ (Einstein-Podolsky-Rosen), conocida desde 1935, que se refiere al entrelazamiento cuántico. En un estado cuántico entrelazado de dos partículas, al operar sobre una de ellas se puede modificar el estado de la otra, a distancia y de manera instantánea. Esto no tiene lugar en el universo de nuestras experiencias cotidianas y contradice la física clásica y el sentido común. Sin embargo, el entrelazamiento es una propiedad esencial para desarrollar computadoras cuánticas que sean mucho más veloces que las actuales, pues sería la manera de transmitir información instantánea entre diferentes elementos.
En el caso de los fotones, un par de fotones entrelazados se pueden generar a partir de un electrón que descienda dos niveles energéticos dentro del átomo. Una colisión electrón- positrón también genera dos fotones entrelazados. Sin embargo, las determinaciones experimentales para estudiar las propiedades del entrelazamiento son bastante complejas. El premio Nobel de física de 2022 se compartió entre tres investigadores dedicados al estudio del entrelazamiento; el francés Alain Aspect y el estadounidense John Clauser crearon fotones entrelazados y comprobaron que se mantenían así a grandes distancias; por su parte, el austriaco Anton Zeilinger demostró la teleportación cuántica, es decir, la posibilidad de enviar información utilizando el entrelazamiento.
Un cúbit mecánico
En junio de 2024 un grupo de investigadores del Instituto Suizo Federal de Tecnología reportaron la construcción de un oscilador mecánico que funciona como un cúbit. El dispositivo comprende dos chips de zafiro, uno de los cuales contiene un circuito cúbit superconductor y el otro actúa como resonador mecánico; ambos están acoplados por un disco pequeño de material piezoeléctrico que se deforma en respuesta al campo eléctrico generado por el circuito del cúbit. En conjunto forman un oscilador anarmónico con niveles de energía espaciados desigualmente. Esta investigación específica tiene que ver con la creación de tecnología súper-sensible a la acción de la gravedad. En ese caso son las vibraciones cuantizadas de la red cristalina (llamadas fonones, porque se comportan como si fueran partículas) las que interaccionan con el detector cúbit.
En la actualidad existen cuatro líneas prioritarias de investigación asociadas a las tecnologías cuánticas: superconductores, iones, átomos neutros y fotones. Esta última línea tiene que ver con la transmisión de información entre cúbits.
Bibliografía
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Google ‘Willow’ Quantum chip has solved a problem that would have taken the best supercomputer a quadrillion times the age of the universe to crack | Live Science, https://www.livescience.com/technology/computing/google-willow-quantum-computing-chip-solved-a-problem-the-best-supercomputer-taken-a-quadrillion-times-age-of-the-universe-to-crack
Quantum computers that are actually useful 1 step closer thanks to new silicon processor that could pack millions of qubits | Live Science, https://www.livescience.com/technology/computing/quantum-computers-that-are-actually-useful-1-step-closer-thanks-to-new-silicon-processor-that-could-pack-millions-of-qubits
Cat breakthrough could usher in the 'Holy Grail' of quantum computing, making them error-proof | Live Science, https://www.livescience.com/technology/computing/schrodingers-cat-breakthrough-could-usher-in-the-holy-grail-of-quantum-computing-making-them-error-proof
Enter the Mechanical Qubit, https://physics.aps.org/articles/pdf/10.1103/Physics.17.172
Wikipedia. Entrelazamiento cuántico. https://es.wikipedia.org/wiki/Entrelazamiento_cuántico
Experiments on ‘entangled’ quantum particles won the physics Nobel Prize, https://www.snexplores.org/article/physics-nobel-prize-2022-quantum-entanglement-particles-tech
What is a quantum bit (qubit)? | Live Science, https://www.livescience.com/technology/computing/what-is-a-quantum-bit-qubit
Scientists Investigate Error Mitigation for Logical Qubits as a Path Toward Reliable Quantum Computing, https://thequantuminsider.com/2025/01/20/scientists-investigate-error-mitigation-in-logical-qubits-as-a-path-toward-reliable-quantum-computing/. Artículo completo en https://arxiv.org/html/2501.09079v1#S5
World’s fastest supercomputer ‘El Capitan’ goes online — it will be used to secure the US nuclear stockpile and in other classified research, https://www.livescience.com/technology/computing/worlds-fastest-supercomputer-el-capitan-goes-online-used-to-secure-the-u-s-nuclear-stockpile-and-other-classified-research
El programa cuántico de Rusia: ¿en qué punto se encuentra y qué le espera? – 01.02.2025, Sputnik Mundo, https://noticiaslatam.lat/20250201/el-programa-cuantico-de-rusia-en-que-punto-se-encuentra-y-que-le-espera-1160927505.html
Rosatom planea el desarrollo a gran escala de tecnologías cuánticas industriales para 2030 (en ruso), https://www.atomic-energy.ru/news/2025/02/10/153343