La tecnología cuántica está avanzando rápidamente más allá de los experimentos de laboratorio controlados y adquiriendo un uso práctico. Según un nuevo artículo publicado en Science, el campo ha llegado a una coyuntura crítica que refleja la era temprana de la informática clásica antes de la invención del transistor y la remodelación de la tecnología moderna.
El artículo fue escrito por investigadores de la Universidad de Chicago, la Universidad de Stanford, el Instituto Tecnológico de Massachusetts, la Universidad de Innsbruck en Austria y la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos. Examina el estado actual del hardware de información cuántica y destaca las oportunidades y obstáculos clave involucrados en la construcción de computadoras cuánticas, redes de comunicación y sistemas de detección escalables.
“Este momento transformador en la tecnología cuántica recuerda los primeros días del transistor”, dijo David Auschalom, profesor de Ingeniería Molecular y Física de la Familia Liu en la Universidad de Chicago y director del Chicago Quantum Exchange y del Chicago Quantum Institute. “Los conceptos básicos de la física están establecidos, los sistemas funcionales existen y ahora debemos fomentar las asociaciones y los esfuerzos coordinados necesarios para lograr el potencial completo de la tecnología a escala de utilidad. ¿Cómo abordamos los desafíos del escalamiento y las arquitecturas cuánticas modulares?”
Desde experimentos de laboratorio hasta su uso temprano en el mundo real
En los últimos diez años, las tecnologías cuánticas han progresado desde experimentos de prueba de concepto hasta sistemas capaces de soportar aplicaciones tempranas en comunicaciones, sensores e informática. Los autores atribuyen este rápido progreso a la estrecha colaboración entre universidades, agencias gubernamentales y la industria, la misma combinación de asociaciones que ayudó a que la microelectrónica madurara en el siglo XX.
Comparando las plataformas de hardware cuánticas actuales
El estudio revisa seis plataformas principales de hardware cuántico: qubits superconductores, iones atrapados, defectos de espín, puntos cuánticos semiconductores, átomos neutros y qubits fotónicos ópticos. Para comparar hasta qué punto ha avanzado cada plataforma en informática, simulación, redes y detección, los investigadores utilizaron modelos de inteligencia artificial en lenguajes grandes como ChatGPT y Gemini para estimar los niveles de preparación tecnológica (TRL).
Los TRL miden el grado de madurez de una tecnología utilizando una escala del 1 (principios fundamentales vistos en un entorno de laboratorio) al 9 (probado en un entorno operativo). Un TRL más alto no significa que una tecnología esté cerca de su uso generalizado, sino que ha demostrado una funcionalidad de sistema más completa.
El análisis proporciona una instantánea de la situación actual del sector. Aunque es posible que algunos prototipos avanzados ya funcionen como sistemas completos y sean accesibles a través de plataformas de nube pública, su rendimiento general sigue siendo limitado. Muchas aplicaciones de alto impacto, incluidas las simulaciones de química cuántica a gran escala, pueden requerir millones de qubits físicos con tasas de error mucho más altas que las que pueden soportar las tecnologías actuales.
Por qué es necesario el contexto de preparación tecnológica
Evaluar la preparación sin una perspectiva histórica puede resultar engañoso, explica el coautor William D. Oliver, Henry Ellis Warren (1894), profesor de ingeniería eléctrica e informática, profesor de física y director del Centro de Ingeniería Cuántica del MIT.
“Aunque los chips semiconductores de la década de 1970 eran TLR-9 para esa época, podían hacer muy poco en comparación con los circuitos integrados avanzados de hoy”, afirmó. “Del mismo modo, un TRL alto para la tecnología cuántica hoy en día no indica que se haya logrado el objetivo final, ni indica que la ciencia está hecha y solo queda la ingeniería. Más bien, indica que se ha logrado una demostración significativa, aunque relativamente modesta, a nivel de sistema, una que aún debe estar lo suficientemente avanzada y escalada para hacer realidad toda la promesa”.
Retos de escala y lecciones de la historia de la informática
Entre las plataformas estudiadas, los qubits superconductores obtuvieron la puntuación más alta en computación cuántica, los átomos neutros lideraron simulaciones cuánticas, los qubits fotónicos obtuvieron la puntuación más alta en redes cuánticas y los defectos de espín obtuvieron los mejores resultados en detección cuántica.
Los autores identifican varios obstáculos importantes que deben superarse para que los sistemas cuánticos puedan escalar de manera efectiva. Se necesitan avances en la ciencia y la fabricación de materiales para producir dispositivos consistentes y de alta calidad que puedan fabricarse de manera confiable y a escala. El cableado y la entrega de señales siguen siendo importantes desafíos de ingeniería, ya que la mayoría de las plataformas todavía dependen de líneas de control separadas para cada qubit. A medida que los sistemas avanzan hacia millones de qubits, simplemente agregar más cableado se vuelve poco práctico. (Los ingenieros informáticos encontraron un problema similar en la década de 1960, conocido como tiranía de los números). La gestión de la energía, el control de la temperatura, la calibración automática y la coordinación a nivel de sistema presentan desafíos adicionales que aumentarán a medida que los sistemas cuánticos se vuelvan más complejos.
El artículo establece paralelismos con la larga línea de tiempo de desarrollo de la electrónica clásica. Muchos avances transformadores, incluidas las técnicas de litografía y los nuevos materiales para transistores, tardaron años o incluso décadas en pasar de los laboratorios de investigación a la producción industrial. Los autores sostienen que la tecnología cuántica puede seguir un camino similar. Enfatizan la necesidad de un diseño de sistema de arriba hacia abajo, una colaboración científica abierta que evite una refutación temprana y expectativas realistas.
“La paciencia ha sido un ingrediente clave en muchos avances revolucionarios”, escriben, “y las expectativas cronológicas en la tecnología cuántica apuntan a la importancia de la manipulación”.
