El mundo digital -su ordenador portátil, la Internet a la que está conectado y las empresas que lo hacen funcionar- se asienta sobre una base de bits. Estos bits son el lenguaje que hablan los ordenadores digitales.

Los bits son de dos tipos: Numéricamente, estos dos estados se representan como unos y ceros. En los chips de los ordenadores, se convierten en algo físico gracias a unos interruptores en miniatura llamados transistores que se activan o desactivan. El código informático combina los bits físicos y numéricos en bloques lógicos básicos, como «sí» o «no» y «si» o «entonces». Si se encadenan miles de millones de bits, se obtienen hojas de cálculo, fotos de la familia, tweets, IA y empresas de un billón de dólares.

Los bits son las partículas elementales de la era digital. Pero está surgiendo una nueva unidad de información fundamental, y en cierto modo más potente: el qubit.

Los qubits son el lenguaje de la informática cuántica y pueden tomar el valor de unos y ceros -como los bits clásicos- o, gracias a las extrañas leyes de la mecánica cuántica, una combinación de ambos simultáneamente. En este estado, conocido como superposición, es donde ocurre la magia. Los quubits en superposición pueden explorar muchas más posibilidades que los bits clásicos, y cuando sus estados cuánticos están unidos, o entrelazados, pueden colaborar, en paralelo, para resolver cálculos inmensamente complejos en un abrir y cerrar de ojos. Los futuros ordenadores cuánticos no sustituirán a los clásicos, pero en algunos casos podrán resolver problemas que los ordenadores clásicos no pueden.

Sin embargo, la situación actual es un poco más complicada. Aunque los ordenadores cuánticos han pasado oficialmente de la teoría a la realidad -un logro notable-, ninguno es todavía práctico.

Para conseguir un ordenador cuántico útil, Google, IBM, Microsoft, Amazon y otros están invirtiendo recursos en máquinas que funcionen con un conjunto de qubits. El enfoque más popular, favorecido por Google e IBM, consiste en pequeños bucles de cable superconductor. Honeywell e IonQ buscan qubits atómicos hechos de iones atrapados. En China, los investigadores construyen intrincadas máquinas similares a las de Rube-Goldberg en bancos de laboratorio para ejecutar cálculos cuánticos con espejos y luz .

La carrera cuántica no está en absoluto resuelta, y como se señala en un documento publicado esta semana en Naturaleza Hay un nuevo caballo en la pista. En lugar de bucles superconductores, iones o fotones, un equipo de científicos dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía, fabricó qubits a partir de electrones individuales.

«Nuestro ambicioso objetivo no es competir con esas empresas, sino descubrir y construir un sistema de qubits fundamentalmente nuevo que podría conducir a una plataforma ideal», dijo Dafei Jin, científico de Argonne e investigador principal del proyecto, en un comunicado de prensa .

¿El avance clave? El hielo de neón.

El equipo enfrió el gas de neón hasta casi el cero absoluto, momento en el que se solidificó. A continuación, rociaron la superficie del neón sólido con electrones procedentes del filamento de una bombilla. Los electrones quedaron atrapados en la superficie porque el neón es un elemento inerte (o no reactivo) que atrae a los electrones con una ligera carga positiva, pero que tampoco les ofrece ningún lugar donde asentarse. Una vez atrapados, los electrones pueden moverse con electrodos y medir su estado con un resonador de microondas, un avance clave que se describe en el artículo.

» El resonador de microondas proporciona una forma crucial de leer el estado del qubit», afirma Kater Murch, profesor de física de la Universidad de Washington en San Luis y coautor principal del trabajo. «Concentra la interacción entre el qubit y la señal de microondas. Esto nos permite hacer mediciones que indican el funcionamiento del qubit».

No es la primera vez que los científicos intentan convertir los electrones en qubits. Pero los intentos anteriores de atrapar las partículas en la superficie del helio en la década de 1990 resultaron demasiado difíciles. El helio es líquido incluso a bajas temperaturas, y el chapoteo del líquido perturbaba los electrones. El hielo de neón, en cambio, es un lugar muy estable para un qubit de electrones.

El equipo afirma que un qubit ideal debe permanecer en superposición, o cohesión, durante más de un segundo, cambiar de estado en una milmillonésima de segundo y enredarse con otros qubits a escala. Al medir las propiedades de sus qubits de electrones, descubrieron que los qubits mantienen la superposición durante 220 nanosegundos y cambian de estado en apenas nanosegundos. El rendimiento está a la altura de los qubits más avanzados que se llevan desarrollando desde hace años.

Creen que la simplicidad del sistema se presta a una fabricación de bajo coste, pero su ampliación es incierta. «No puedo decir que tenga una respuesta clara», dijo Jin le dijo a IEEE Spectrum . «Sigue siendo un problema compartido por todas las plataformas de qubits. Puede que tengamos algunas formas de hacerlo mejor que los qubits superconductores, y casi tan bien como los iones atrapados. Pero no es fácil conseguir cientos de qubits a corto plazo».

No obstante, los científicos afirman que sólo han empezado a perfeccionar la plataforma. Planean mejorar aún más la coherencia convirtiendo los electrones de qubits de carga -que se basan en el movimiento de un electrón- en un qubit de espín más estable y enredando también múltiples qubits.

Sin embargo, a grandes rasgos, el trabajo se encuentra en una fase muy temprana de desarrollo. IBM, en comparación, presentó un chip cuántico el año pasado con 127 qubits superconductores y espera completar un chip con 433 qubits este año y otro con 1.121 qubits en 2023. Mientras tanto, los ordenadores cuánticos de iones atrapados tienen menos qubits, pero ya son lograr una mayor fidelidad .

Aun así, es posible que los últimos en llegar se adelanten a la competencia. Los qubits superconductores son muy delicados y necesitarán chips de mil o millones de qubits para la corrección de errores. Por eso, Microsoft apuesta por un enfoque arriesgado, todavía hipotético pero, en teoría, más escalable, llamado qubit topológico. La búsqueda les lleva años de retraso con respecto a la competencia, pero creen que, si tienen éxito, los qubits topológicos podrían adelantarlos.

Lo cierto es que, a pesar de algunas afirmaciones sobre su inminente viabilidad, no está claro en qué punto de la línea de tiempo se encuentran los ordenadores cuánticos realmente útiles.

«La cuestión inmediata es dónde debe situarse el desarrollo de la computación cuántica, tal y como está hoy, en esa línea de tiempo», afirma Sankar Das Sarma, director del Centro de Teoría de la Materia Condensada de la Universidad de Maryland, escribió recientemente para MIT Technology Review. «¿Es con los hermanos Wright en 1903? ¿Los primeros aviones a reacción hacia 1940? ¿O tal vez estamos todavía a principios del siglo XVI, con la máquina voladora de Leonardo da Vinci? No lo sé. Tampoco lo sabe nadie».

Así que, aunque todas las empresas y grupos de investigación creen fervientemente que su enfoque será el que se amplíe, es posible que el qubit asesino -tal vez un electrón en hielo de neón- acabe de surgir o no se haya inventado todavía.

Crédito de la imagen: Ilustración de los nuevos qubits formados por un solo electrón sobre neón sólido. Cortesía de Dafei Jin/Laboratorio Nacional de Argonne