Por María Benito (CSIC)*
Imagina tener un ordenador capaz de realizar cálculos a una velocidad estratosférica. O de resolver inmediatamente problemas que un ordenador ‘normal’ tardaría la misma edad del universo en solucionar. Suena interesante, ¿no?
El ordenador cuántico promete hacer todo esto posible sustituyendo los ‘ordinarios’ bits, las unidades básicas de información o ‘ladrillos’ con qué operan los ordenadores convencionales, por ‘mágicos’ cúbits (del inglés: ‘qubit’). A diferencia de los bits, que solo pueden tomar valores 1 o 0, los cúbits pueden estar simultáneamente en una superposición de estados o entrelazarse… Y eso permitiría realizar cálculos muy complejos de forma inmediata y eficiente.
¿Y por qué no tenemos ya ordenadores cuánticos en nuestras casas? Pues porque, aunque se lleva trabajando más de 20 años para hacerlos realidad, sus ladrillos son más delicados que los tradicionales. Seguro que alguna vez se te ha caído el móvil al suelo, pero, al recogerlo, te ha aliviado comprobar que seguía funcionando con normalidad. Lamento decir que los ordenadores cuánticos de hoy son mucho más frágiles…
Obsesionados con el ruido
Existen distintos tipos de cúbits. En el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC), fabricamos cúbits superconductores. Para que tengan esta propiedad, la superconductividad, se han de enfriar por debajo de su temperatura crítica: 1,2 grados Kelvin en el caso del aluminio.
Los brillantes candelabros dorados que ves en la imagen cumplen dicha función: esconden varios pisos o niveles a temperatura descendente: 4 grados Kelvin, 1 grado Kelvin… ¡hasta 0,02 grados Kelvin! Para que te hagas a la idea, el vacío del espacio exterior tiene la menor temperatura posible: 0 grados Kelvin, o lo que es lo mismo -273,15 grados centígrados, un estado que se caracteriza por la ausencia de energía.
Quienes trabajamos en el ordenador cuántico estamos obsesionados con alcanzar estas ínfimas temperaturas, que necesitan de un cuidadoso aislamiento térmico del exterior. Y también con ‘apantallar’ el interior de estos ordenadores para evitar cualquier otro tipo de interferencia, o lo que nosotros consideramos ruido: la radiación cósmica, la radiación nuclear, fotones, campos magnéticos…
Y pensarás: “menudos paranoicos…”. Puede ser, pero tiene una explicación.
Dentro de estos candelabros puede haber miles de cúbits realizando continuas operaciones. Y, desgraciadamente, suele ocurrir que estos cúbits experimentan un fenómeno llamado ‘decoherencia’, por el cual pierden su estado cuántico. En otras palabras: lo que los convierte en algo ‘mágico’, sistemas capaces de estar en una superposición de estados, se esfuma completamente.
Sin entrar en excesivo detalle, todas esas fuentes de ruido aceleran, mediante diferentes mecanismos, la decoherencia de los cúbits superconductores. Por tanto, buscamos suprimirlos al máximo para tener cúbits coherentes durante el mayor tiempo posible.
Cúbits de calidad
Se ha probado desde apantallar con materiales que no dejan penetrar el campo magnético hasta construir estos ordenadores bajo tierra para frenar la radiación cósmica. Pero siguen fallando… ¿Podría estar la respuesta dentro de la propia jaula? Es decir, ¿podríamos mejorar la calidad de los cúbits desde sus materiales constituyentes?
“Puedes pintar tu casa con la mejor pintura que, si los cimientos no son buenos, jamás obtendrás el mejor resultado”. Esta frase nos puede ayudar a ejemplificar lo que sucede en un ordenador cuántico: “Puedes aplicar miles de algoritmos para evitar la decoherencia, pero, si el cúbit no es bueno, jamás lograrás la potencia de cálculo que necesitas”.
Por eso, en el IMB-CNM trabajamos para dar con la mejor receta para desarrollar cúbits que resistan o minimicen la decoherencia.
Nuestros cúbits superconductores están conformados por un chip que incluye un par de ‘uniones Josephson’. El chip está hecho de un sustrato y una fina capa de aluminio u otro material superconductor. Las uniones Josephson también están formadas por dos capas de aluminio u otro material superconductor separadas por un aislante, que puede ser el propio óxido de aluminio.
Para encontrar el cúbit que estamos buscando, utilizamos diferentes sustratos (el ‘cimiento’ de un circuito integrado) o cambiamos el material superconductor que depositamos. No es sencillo, pues algo tan ‘tonto’ como el tipo de limpieza que hagas previamente, o los segundos que tardes en cada etapa del proceso, son determinantes para el resultado final. Por ello, tenemos que trabajar en una Sala Blanca, un entorno muy controlado que sirve para minimizar el número de partículas contaminantes. Cada ensayo es un desafío, pero también una experiencia apasionante.
¿Lograremos conseguirlo? Es difícil predecirlo, pero, si el ser humano logró construir rascacielos utilizando hormigón armado en vez de madera, algún día conseguiremos fabricar los mejores ladrillos de la computación cuántica.
* María Benito es investigadora predoctoral del CSIC en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM).