¿Qué es un chip cuántico y cómo funciona?

por | Mar 4, 2025 | Seguridad Informática | 0 Comentarios

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En los últimos años, el campo de la computación cuántica ha experimentado un rápido crecimiento, con avances tecnológicos e inversiones a gran escala que aparecen periódicamente en las noticias.

Las Naciones Unidas han designado 2025 como el Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas .

Hay mucho en juego: disponer de ordenadores cuánticos significaría tener acceso a una enorme capacidad de procesamiento de datos en comparación con la que tenemos hoy. No sustituirán a los ordenadores tradicionales, pero disponer de este tipo de impresionante capacidad de procesamiento permitirá avances en medicina, química, ciencia de los materiales y otros campos.

No es de extrañar, entonces, que la computación cuántica se esté convirtiendo rápidamente en una carrera global y que la industria privada y los gobiernos de todo el mundo se apresuren a construir la primera computadora cuántica a escala real del mundo. Para lograrlo, primero necesitamos procesadores o chips cuánticos estables y escalables.

Screenshot

¿Qué es un chip cuántico?

Los ordenadores de uso cotidiano, como los portátiles, son ordenadores clásicos. Almacenan y procesan información en forma de números binarios o bits. Un solo bit puede representar 0 o 1.

En cambio, la unidad básica de un chip cuántico es un cúbit. Un chip cuántico está formado por muchos cúbits, que suelen ser partículas subatómicas, como electrones o fotones, controladas y manipuladas por campos eléctricos y magnéticos especialmente diseñados (conocidos como señales de control).

A diferencia de un bit, un cúbit se puede colocar en un estado de 0, 1 o una combinación de ambos, también conocido como “estado de superposición”. Esta propiedad distintiva permite a los procesadores cuánticos almacenar y procesar conjuntos de datos extremadamente grandes exponencialmente más rápido que incluso la computadora clásica más poderosa.

Existen diferentes formas de crear cúbits: se pueden utilizar dispositivos superconductores, semiconductores, fotónica (luz) u otros métodos. Cada método tiene sus ventajas y desventajas.

Empresas como IBM , Google y QueRa tienen hojas de ruta para ampliar drásticamente los procesadores cuánticos para 2030.

Los actores de la industria que utilizan semiconductores son Intel y empresas australianas como Diraq y SQC . Entre los principales desarrolladores de computadoras cuánticas fotónicas se encuentran PsiQuantum y Xanadu .

Qubits: calidad versus cantidad

En realidad, la cantidad de qubits que tiene un chip cuántico es menos importante que la calidad de los qubits.

Un chip cuántico compuesto por miles de qubits de baja calidad no será capaz de realizar ninguna tarea computacional útil.

Entonces, ¿qué es lo que hace que un qubit sea de calidad?

Los cúbits son muy sensibles a las perturbaciones no deseadas, también conocidas como errores o ruido. Este ruido puede provenir de muchas fuentes, incluidas imperfecciones en el proceso de fabricación, problemas con la señal de control, cambios de temperatura o incluso una simple interacción con el entorno del cúbit.

La propensión a errores reduce la fiabilidad de un cúbit, lo que se conoce como fidelidad. Para que un chip cuántico se mantenga estable durante el tiempo suficiente para realizar tareas computacionales complejas, necesita cúbits de alta fidelidad.

Cuando los investigadores comparan el rendimiento de diferentes chips cuánticos, la fidelidad del qubit es uno de los parámetros cruciales que utilizan.

¿Cómo corregimos los errores?

Afortunadamente, no tenemos que construir qubits perfectos.

En los últimos 30 años, los investigadores han diseñado técnicas teóricas que utilizan muchos cúbits imperfectos o de baja fidelidad para codificar un «cúbit lógico» abstracto. Un cúbit lógico está protegido de errores y, por lo tanto, tiene una fidelidad muy alta. Un procesador cuántico útil se basará en muchos cúbits lógicos.

Casi todos los principales desarrolladores de chips cuánticos ahora están poniendo estas teorías en práctica, cambiando su enfoque de los qubits a los qubits lógicos.

En 2024, muchos investigadores y empresas de computación cuántica lograron grandes avances en la corrección de errores cuánticos, incluidos Google , QueRa , IBM y CSIRO .

Ya existen chips cuánticos de más de 100 cúbits que están siendo utilizados por numerosos investigadores de todo el mundo para evaluar la calidad de la generación actual de ordenadores cuánticos y cómo se pueden mejorar en las generaciones futuras.

Por ahora, los desarrolladores solo han creado cúbits lógicos individuales. Probablemente se necesitarán algunos años para descubrir cómo juntar varios cúbits lógicos en un chip cuántico que pueda funcionar de manera coherente y resolver problemas complejos del mundo real.

¿Para qué serán útiles los ordenadores cuánticos?

Un procesador cuántico completamente funcional sería capaz de resolver problemas extremadamente complejos, lo que podría tener un impacto revolucionario en muchas áreas de la investigación , la tecnología y la economía.

Las computadoras cuánticas podrían ayudarnos a descubrir nuevos medicamentos y avanzar en la investigación médica al encontrar nuevas conexiones en datos de ensayos clínicos o genéticos para los cuales las computadoras actuales no tienen suficiente poder de procesamiento.

También podrían mejorar enormemente la seguridad de varios sistemas que utilizan algoritmos de inteligencia artificial , como los bancarios, los objetivos militares y los vehículos autónomos, por nombrar algunos.

Para lograr todo esto, primero debemos alcanzar un hito conocido como supremacía cuántica, donde un procesador cuántico resuelve un problema que a una computadora clásica le llevaría una cantidad de tiempo poco práctica.

A fines del año pasado, el chip cuántico Willow de Google finalmente demostró la supremacía cuántica para una tarea artificial: un problema computacional diseñado para ser difícil para las supercomputadoras clásicas pero fácil para los procesadores cuánticos debido a su forma particular de trabajar.

Aunque no resolvió ningún problema práctico del mundo real, sigue siendo un logro notable y un paso importante en la dirección correcta que ha requerido años de investigación y desarrollo. Después de todo, para correr, primero hay que aprender a caminar.

¿Qué nos depara el horizonte para 2025 y más allá?

En los próximos años, los chips cuánticos seguirán creciendo. Es importante destacar que la próxima generación de procesadores cuánticos estará respaldada por cúbits lógicos, capaces de abordar tareas cada vez más útiles.

Si bien el hardware cuántico (es decir, los procesadores) ha avanzado a un ritmo rápido, tampoco podemos pasar por alto una enorme cantidad de investigación y desarrollo en el campo del software y los algoritmos cuánticos.

Mediante simulaciones cuánticas en computadoras normales, los investigadores han estado desarrollando y probando varios algoritmos cuánticos. Esto permitirá que la computación cuántica esté lista para aplicaciones útiles cuando el hardware cuántico se ponga al día.

Construir una computadora cuántica a gran escala es una tarea ardua. Requerirá avances simultáneos en muchos frentes, como aumentar la cantidad de cúbits en un chip, mejorar la fidelidad de los cúbits, mejorar la corrección de errores, desarrollar software cuántico, desarrollar algoritmos cuánticos y otros subcampos de la computación cuántica.

Después de años de notable trabajo fundacional, podemos esperar que 2025 traiga nuevos avances en todo lo mencionado anteriormente.

Majorana 1: Los ordenadores cuánticos, más cerca que nunca

Microsoft acaba de presentar Majorana 1, su chip basado en una nueva arquitectura de núcleo topológico que supone un gran avance en el campo de la computación cuántica. Este desarrollo promete acelerar la aparición de ordenadores cuánticos comerciales capaces de resolver problemas complejos en cuestión de años, reduciendo la previsión de décadas.

Resumimos sus principales características, posibles casos de uso y su impacto en la industria, la ciencia y la sociedad.

Computación cuántica y qubits topológicos

Para entender la importancia de Majorana 1, es necesario comprender cómo funciona la computación cuántica y por qué los qubits topológicos representan una revolución tan significativa.

Pues bien, un ordenador cuántico no funciona con los tradicionales bis (0 o 1), sino con qubits, que pueden estar en múltiples estados simultáneamente gracias a la superposición cuántica. Sin embargo, estos qubits son extremadamente inestables , y cualquier perturbación en el entorno puede hacer que pierdan información antes de que se complete el cómputo.

Majorana 1 utiliza topoconductores, materiales diseñados específicamente para soportar la existencia de estos fermiones. Esto permite que los cúbits funcionen con menos interferencias, reduciendo la necesidad de corrección de errores, un problema que ha limitado el progreso de la computación cuántica hasta ahora.

Majorana 1 Microsoft

Majorana 1 es el primer chip cuántico del mundo impulsado por un topoconductor, un material innovador que puede observar y controlar las partículas Majorana para producir qubits más confiables y escalables, que son los componentes básicos de las computadoras cuánticas.

La estructura del chip combina arseniuro de indio y aluminio, materiales diseñados y fabricados con precisión atómica para minimizar los defectos y garantizar la estabilidad necesaria para operaciones cuánticas confiables.

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.

Las ventajas de esta arquitectura de núcleo topológico son:

  • Estabilidad mejorada : los qubits topológicos son menos susceptibles al ruido externo y a las interferencias, lo que reduce la necesidad de corrección de errores y mejora la confiabilidad del sistema.
  • Escalabilidad : esta arquitectura permite la integración de hasta un millón de qubits en un solo chip del tamaño de la palma de la mano, un hito necesario para abordar grandes problemas industriales y científicos.
  • Control digital : a diferencia de los métodos analógicos tradicionales, Majorana 1 utiliza el control digital de los qubits, simplificando las operaciones y facilitando la escalabilidad.

Aplicaciones potenciales

El mayor reto de la computación cuántica es la estabilidad de los cúbits. Los cúbits convencionales son extremadamente frágiles y susceptibles al ruido ambiental, lo que genera errores en los cálculos. Por ello, Microsoft ha trabajado con cúbits topológicos, que aprovechan un tipo especial de partícula cuántica, llamada fermión, para lograr una estabilidad sin precedentes .

Con esta capacidad mejorada para manejar un millón de qubits, los ordenadores cuánticos basados ​​en Majorana 1 podrían revolucionar varias áreas como:

  • Ambiente :
    • Puede ayudar a descomponer los microplásticos en subproductos inofensivos, contribuyendo a la limpieza de los océanos y la vida marina.
    • También puede ayudar a optimizar los procesos de secuestro de carbono para mitigar el cambio climático.
  • Materiales avanzados : pueden facilitar el desarrollo de materiales autorreparables para su uso en la construcción, fabricación y dispositivos médicos, aumentando la durabilidad y reduciendo los costos de mantenimiento.
  • Medicina y biotecnología :
    • Podría simular moléculas complejas para acelerar el descubrimiento de nuevos fármacos.
    • Modelado preciso de proteínas para diseñar tratamientos más efectivos para enfermedades como el cáncer y el Alzheimer.
  • Optimización logística :
    • Resolver problemas complejos en las cadenas de suministro, mejorando la eficiencia y reduciendo costos en la distribución de bienes.
    • Mejorar la planificación urbana y los sistemas de distribución de energía.
  • Seguridad informática : la capacidad de descifrar códigos de cifrado avanzados, lo que podría tener implicaciones tanto para la seguridad de la información como para la privacidad.

Colaboración con DARPA

El gran potencial de Majorana 1 ya ha sido reconocido por DARPA, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de Estados Unidos, que ha seleccionado el enfoque de Microsoft como una de las dos estrategias viables para construir computadoras cuánticas funcionales durante la próxima década.

Esta validación es crucial, ya que coloca a Microsoft en la carrera cuántica global, donde otras empresas como Google, IBM y startups especializadas están explorando tecnologías alternativas.

Así, Microsoft apuesta a que su enfoque topológico será el primero en permitir la construcción de un ordenador cuántico con un millón de qubits útiles antes de que sus competidores consigan superar la corrección de errores en sus propios diseños .

Computadora cuántica Microsoft Majorana

Majorana 1 supone un avance muy prometedor, pero expertos como Paul Stevenson, catedrático de Física de la Universidad de Surrey, aconsejan un optimismo cauteloso, ya que, aunque supone un avance significativo, los retos futuros en el desarrollo y escalado de esta tecnología serán complejos y determinarán su éxito a largo plazo.

Lo que está claro es que Majorana 1 de Microsoft podría marcar un punto de inflexión en la computación cuántica , ofreciendo soluciones prácticas a problemas que hoy están fuera del alcance de los ordenadores tradicionales. La combinación de estabilidad, escalabilidad y control digital en su diseño lo convierte en un firme candidato a liderar la próxima generación de tecnologías cuánticas.

Los 10 Chips Cuánticos Más Destacados Hasta la Fecha

La computación cuántica ha experimentado avances significativos en los últimos años, con diversas empresas y organizaciones desarrollando procesadores cuánticos de alta capacidad. A continuación, se presentan diez de los chips cuánticos más destacados hasta la fecha:

1. IBM Condor

IBM presentó en diciembre de 2023 su procesador cuántico «Condor» con 1.121 cúbits, marcando un hito en la capacidad de procesamiento cuántico. ​

2. IBM Osprey

Predecesor del Condor, el procesador «Osprey» de IBM cuenta con 433 cúbits y fue introducido en 2022, demostrando el rápido avance de la compañía en este campo. ​

3. Google Willow

En diciembre de 2024, Google presentó su chip cuántico «Willow» con 105 cúbits, capaz de realizar cálculos en minutos que tomarían trillones de años a las supercomputadoras más potentes del mundo.

4. Microsoft Majorana 1

En febrero de 2025, Microsoft anunció su chip «Majorana 1», que utiliza fermiones de Majorana para mejorar la estabilidad y reducir los errores en la computación cuántica, acercando la tecnología cuántica práctica.

5. Amazon Ocelot

Amazon Web Services presentó en febrero de 2025 su chip cuántico «Ocelot», que utiliza una arquitectura escalable para reducir la corrección de errores hasta en un 90%, acelerando el desarrollo de aplicaciones cuánticas en el mundo real.

6. D-Wave Advantage

D-Wave Systems lanzó «Advantage», un procesador de recocido cuántico con 5.760 cúbits, orientado a resolver problemas de optimización combinatoria en diversas industrias. ​

7. Quantinuum H2

Quantinuum, resultado de la fusión entre Honeywell Quantum Solutions y Cambridge Quantum, presentó el «H2» con 56 cúbits y una conectividad total entre ellos, mejorando la eficiencia en la ejecución de algoritmos cuánticos. ​

8. Rigetti Aspen-M-3

Rigetti Computing desarrolló «Aspen-M-3», un procesador de 80 cúbits que utiliza una arquitectura de transmones superconductores para mejorar la coherencia y la fidelidad de las operaciones cuánticas. ​

9. Zuchongzhi 2.1

Desarrollado por la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, «Zuchongzhi 2.1» es un procesador de 66 cúbits que ha demostrado capacidades superiores en ciertas tareas de muestreo cuántico. ​

10. Xanadu Borealis

La empresa canadiense Xanadu presentó «Borealis», un procesador fotónico de 216 cúbits que ha logrado avances significativos en la computación cuántica basada en fotones.

Estos desarrollos reflejan el rápido progreso en la carrera por construir chips cuánticos más potentes y funcionales, acercándonos cada vez más a la era de la computación cuántica práctica.

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Sobre los autores

Álvaro Chirou

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