El chip Majorana 1 de Microsoft abre un nuevo camino para la computación cuántica

Microsoft presentó Majorana 1 , el primer chip cuántico del mundo impulsado por una nueva arquitectura de núcleo topológico que espera permita crear computadoras cuánticas capaces de resolver problemas significativos a escala industrial en años, no décadas.

Aprovecha el primer topoconductor del mundo, un tipo de material innovador que puede observar y controlar las partículas de Majorana para producir qubits más confiables y escalables, que son los componentes básicos de las computadoras cuánticas.

De la misma manera que la invención de los semiconductores hizo posibles los teléfonos inteligentes, las computadoras y la electrónica actuales, los topoconductores y el nuevo tipo de chip que posibilitan ofrecen un camino para desarrollar sistemas cuánticos que pueden escalar a un millón de qubits y son capaces de abordar los problemas industriales y sociales más complejos, afirmó Microsoft.

“Dimos un paso atrás y dijimos: ‘Bien, inventemos el transistor para la era cuántica. ¿Qué propiedades debe tener?’”, dijo Chetan Nayak, miembro técnico de Microsoft. “Y así es como llegamos hasta aquí: es la combinación particular, la calidad y los detalles importantes en nuestra nueva pila de materiales lo que ha hecho posible un nuevo tipo de cúbit y, en última instancia, toda nuestra arquitectura”.

Según Microsoft, esta nueva arquitectura utilizada para desarrollar el procesador Majorana 1 ofrece un camino claro para colocar un millón de cúbits en un solo chip que cabe en la palma de la mano. Este es un umbral necesario para que las computadoras cuánticas brinden soluciones transformadoras y reales, como descomponer microplásticos en subproductos inofensivos o inventar materiales autorreparables para la construcción, la fabricación o la atención médica. Todas las computadoras actuales del mundo que funcionan juntas no pueden hacer lo que una computadora cuántica de un millón de cúbits podrá hacer. 

“Todo lo que se hace en el espacio cuántico debe tener un camino hacia el millón de cúbits. Si no lo tiene, se va a chocar contra un muro antes de llegar a la escala en la que se puedan resolver los problemas realmente importantes que nos motivan”, dijo Nayak. “De hecho, hemos elaborado un camino hacia el millón”.

El topoconductor, o superconductor topológico, es una categoría especial de material que puede crear un estado de materia completamente nuevo (no un sólido, un líquido o un gas, sino un estado topológico). Esto se aprovecha para producir un cúbit más estable que es rápido, pequeño y se puede controlar digitalmente, sin las desventajas que requieren las alternativas actuales. Un nuevo artículo publicado el miércoles en Nature describe cómo los investigadores de Microsoft pudieron crear las exóticas propiedades cuánticas del cúbit topológico y también medirlas con precisión, un paso esencial para la computación práctica.

Este avance requirió el desarrollo de una pila de materiales completamente nueva compuesta de arseniuro de indio y aluminio, muchos de los cuales Microsoft diseñó y fabricó átomo por átomo. El objetivo era hacer que surgieran nuevas partículas cuánticas llamadas Majoranas y aprovechar sus propiedades únicas para alcanzar el próximo horizonte de la computación cuántica, dijo Microsoft.  

El primer núcleo topológico del mundo que alimenta al Majorana 1 es confiable por diseño e incorpora resistencia a errores a nivel de hardware, lo que lo hace más estable.

Las aplicaciones de importancia comercial también requerirán billones de operaciones en un millón de cúbits, lo que resultaría prohibitivo con los enfoques actuales que se basan en un control analógico preciso de cada cúbit. El nuevo enfoque de medición del equipo de Microsoft permite controlar los cúbits digitalmente, lo que redefine y simplifica enormemente el funcionamiento de la computación cuántica.

Este avance confirma la decisión que tomó Microsoft hace años de diseñar un cúbit topológico, un desafío científico y de ingeniería de alto riesgo y alta recompensa que ahora está dando sus frutos. Hoy, la empresa ha colocado ocho cúbits topológicos en un chip diseñado para escalar hasta un millón.

“Desde el principio, queríamos crear una computadora cuántica que tuviera un impacto comercial, no solo para generar ideas”, dijo Matthias Troyer, miembro técnico de Microsoft. “Sabíamos que necesitábamos un nuevo cúbit. Sabíamos que teníamos que escalar”.

Ese enfoque llevó a la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), una agencia federal que invierte en tecnologías innovadoras que son importantes para la seguridad nacional, a incluir a Microsoft en un programa riguroso para evaluar si las tecnologías de computación cuántica innovadoras podrían construir sistemas cuánticos comercialmente relevantes más rápido de lo que convencionalmente se creía posible.  

Microsoft es ahora una de las dos empresas invitadas a pasar a la fase final del programa de Sistemas Subexplorados para Computación Cuántica a Escala de Utilidad (US2QC) de DARPA, uno de los programas que conforman la Iniciativa de Evaluación Comparativa Cuántica más grande de DARPA , que tiene como objetivo entregar la primera computadora cuántica tolerante a fallas a escala de utilidad de la industria, o una cuyo valor computacional exceda sus costos. 

«Simplemente te da la respuesta»

Además de fabricar su propio hardware cuántico, Microsoft se ha asociado con Quantinuum y Atom Computing para alcanzar avances científicos y de ingeniería con los qubits actuales, incluido el anuncio el año pasado de la primera computadora cuántica confiable de la industria .

Este tipo de máquinas ofrecen importantes oportunidades para desarrollar habilidades cuánticas , crear aplicaciones híbridas e impulsar nuevos descubrimientos, en particular a medida que la IA se combina con nuevos sistemas cuánticos que estarán impulsados ​​por una mayor cantidad de cúbits confiables. Hoy, Azure Quantum ofrece un conjunto de soluciones integradas que permiten a los clientes aprovechar estas plataformas líderes de IA, computación de alto rendimiento y cuántica en Azure para avanzar en el descubrimiento científico.

Pero para alcanzar el próximo horizonte de la computación cuántica se necesitará una arquitectura cuántica que pueda proporcionar un millón de cúbits o más y alcanzar billones de operaciones rápidas y fiables. El anuncio de hoy sitúa ese horizonte en unos años, no en décadas, afirmó Microsoft.

Debido a que pueden usar la mecánica cuántica para mapear matemáticamente cómo se comporta la naturaleza con increíble precisión –desde reacciones químicas hasta interacciones moleculares y energías enzimáticas– las máquinas de un millón de qubits deberían ser capaces de resolver ciertos tipos de problemas en química, ciencia de materiales y otras industrias que son imposibles de calcular con precisión para las computadoras clásicas actuales.

• Por ejemplo, podrían ayudar a resolver la difícil cuestión química de por qué los materiales sufren corrosión o grietas. Esto podría dar lugar a materiales autorreparadores que reparen grietas en puentes o piezas de aviones, pantallas de teléfonos rotas o puertas de automóviles rayadas.
• Como hay tantos tipos de plásticos, actualmente no es posible encontrar un catalizador único que pueda descomponerlos, algo que es especialmente importante para limpiar los microplásticos o abordar la contaminación por carbono. La computación cuántica podría calcular las propiedades de dichos catalizadores para descomponer los contaminantes en subproductos valiosos o desarrollar alternativas no tóxicas en primer lugar.
• Las enzimas, una especie de catalizador biológico, podrían aprovecharse de forma más eficaz en la atención sanitaria y la agricultura gracias a cálculos precisos sobre su comportamiento que solo la computación cuántica puede proporcionar. Esto podría dar lugar a avances que ayuden a erradicar el hambre en el mundo: potenciar la fertilidad del suelo para aumentar los rendimientos o promover el crecimiento sostenible de los alimentos en climas hostiles.

Lo más importante es que la computación cuántica podría permitir a los ingenieros, científicos, empresas y otros diseñar cosas bien desde el principio, lo que sería transformador para todo, desde la atención médica hasta el desarrollo de productos. El poder de la computación cuántica, combinado con herramientas de inteligencia artificial, permitiría a alguien describir qué tipo de nuevo material o molécula quiere crear en un lenguaje sencillo y obtener una respuesta que funcione de inmediato, sin conjeturas ni años de prueba y error.  

“Cualquier empresa que fabrica algo podría diseñarlo perfectamente la primera vez. Te daría la respuesta”, dijo Troyer. “La computadora cuántica le enseña a la IA el lenguaje de la naturaleza para que la IA pueda decirte la receta de lo que quieres hacer”.

Repensando la computación cuántica a escala

El mundo cuántico funciona según las leyes de la mecánica cuántica, que no son las mismas leyes de la física que rigen el mundo que vemos. Las partículas se denominan qubits o bits cuánticos, análogos a los bits, o unos y ceros, que utilizan actualmente los ordenadores.

Los cúbits son delicados y muy susceptibles a las perturbaciones y errores que provienen de su entorno, lo que hace que se desintegren y se pierda información. Su estado también puede verse afectado por la medición, lo que supone un problema porque la medición es esencial para la computación. Un desafío inherente es desarrollar un cúbit que pueda medirse y controlarse, al tiempo que ofrezca protección contra el ruido ambiental que lo corrompe.

Los cúbits se pueden crear de distintas maneras, cada una con sus ventajas y desventajas. Hace casi 20 años, Microsoft decidió adoptar un enfoque único: desarrollar cúbits topológicos, que creía que ofrecerían cúbits más estables que requerirían menos corrección de errores, lo que permitiría obtener ventajas en cuanto a velocidad, tamaño y capacidad de control. El enfoque planteaba una curva de aprendizaje empinada, que requería avances científicos y de ingeniería inexplorados, pero también era el camino más prometedor para crear cúbits escalables y controlables capaces de realizar un trabajo comercialmente valioso.

La desventaja es –o era– que hasta hace poco las partículas exóticas que Microsoft buscaba utilizar, llamadas Majoranas, nunca se habían visto ni creado. No existen en la naturaleza y solo se pueden hacer existir mediante campos magnéticos y superconductores. La dificultad de desarrollar los materiales adecuados para crear las partículas exóticas y su estado topológico asociado es la razón por la que la mayoría de los esfuerzos cuánticos se han centrado en otros tipos de qubits.

El artículo de Nature marca la confirmación revisada por pares de que Microsoft no solo ha podido crear partículas Majorana, que ayudan a proteger la información cuántica de perturbaciones aleatorias, sino que también puede medir de manera confiable esa información a partir de ellas usando microondas.

Los Majoranas ocultan información cuántica, lo que la hace más robusta, pero también más difícil de medir. El nuevo método de medición del equipo de Microsoft es tan preciso que puede detectar la diferencia entre mil millones y mil millones y un electrones en un cable superconductor, lo que le dice al ordenador en qué estado se encuentra el cúbit y forma la base de la computación cuántica.

Las mediciones se pueden activar y desactivar con pulsos de voltaje, como si se accionara un interruptor de luz, en lugar de ajustar los diales para cada cúbit individual. Este enfoque de medición más simple que permite el control digital simplifica el proceso de computación cuántica y los requisitos físicos para construir una máquina escalable.

El cúbit topológico de Microsoft también tiene una ventaja sobre otros cúbits debido a su tamaño. Incluso para algo tan pequeño, hay una zona de “Ricitos de Oro”, donde es difícil ejecutar líneas de control para un cúbit demasiado pequeño, pero un cúbit demasiado grande requiere una máquina enorme, dijo Troyer. Agregar la tecnología de control individualizada para esos tipos de cúbits requeriría construir una computadora poco práctica del tamaño de un hangar de aviones o un campo de fútbol.

Majorana 1, el chip cuántico de Microsoft que contiene tanto qubits como la electrónica de control circundante, se puede sostener en la palma de la mano y encaja perfectamente en una computadora cuántica que se puede implementar fácilmente dentro de los centros de datos de Azure.

“Una cosa es descubrir un nuevo estado de la materia”, afirmó Nayak. “Otra cosa es aprovecharlo para repensar la computación cuántica a gran escala”.

Diseño de materiales cuánticos átomo a átomo

La arquitectura topológica de cúbits de Microsoft tiene nanocables de aluminio unidos para formar una H. Cada H tiene cuatro Majoranas controlables y forma un cúbit. Estas H también se pueden conectar y distribuir por el chip como si fueran mosaicos.

«Es complejo porque tuvimos que mostrar un nuevo estado de la materia para llegar a ese punto, pero después de eso, es bastante simple. Se desarrolla en mosaicos. Se obtiene una arquitectura mucho más simple que promete un camino mucho más rápido hacia la escalabilidad», dijo Krysta Svore, investigadora técnica de Microsoft.

El chip cuántico no funciona solo. Existe en un ecosistema con lógica de control, un refrigerador de dilución que mantiene los cúbits a temperaturas mucho más frías que las del espacio exterior y una pila de software que puede integrarse con la IA y las computadoras clásicas. Todas esas piezas existen, construidas o modificadas completamente en casa, dijo.

Para ser claros, seguir perfeccionando esos procesos y lograr que todos los elementos trabajen juntos a una escala acelerada requerirá más años de trabajo de ingeniería. Pero ya se han superado muchos desafíos científicos y de ingeniería difíciles, afirmó Microsoft.

Svore añadió que una de las partes más difíciles fue conseguir que la pila de materiales se alineara correctamente para producir un estado topológico de la materia. En lugar de silicio, el topoconductor de Microsoft está hecho de arseniuro de indio, un material que se utiliza actualmente en aplicaciones como los detectores infrarrojos y que tiene propiedades especiales. El semiconductor se combina con la superconductividad, gracias al frío extremo, para crear un híbrido.

“Estamos literalmente rociando átomo por átomo. Esos materiales tienen que alinearse perfectamente. Si hay demasiados defectos en la pila de materiales, simplemente se destruye el cúbit”, dijo Svore.

“Irónicamente, también es por eso que necesitamos una computadora cuántica: porque comprender estos materiales es increíblemente difícil. Con una computadora cuántica a escala, podremos predecir materiales con propiedades aún mejores para construir la próxima generación de computadoras cuánticas más allá de la escala”, afirmó.