Adam Weiss en SEEQC, una fundición de chips cuánticos, configurando un refrigerador de dilución
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Hay muchas cosas que me encantan de la década de 1980, desde la nueva ola de heavy metal británico hasta el abundante color púrpura preferido por los maquilladores de la época. Pero entre todo ese pelo, ruido y glamour, había algunas superestrellas ignoradas: los circuitos superconductores. En 1980, el gigante informático IBM apostaba por esta tecnología para construir ordenadores que fueran tan eficientes como revolucionarios. En mayo de ese año, la revista de divulgación científica Scientific American incluso puso en portada un circuito superconductor.
Pero la revolución nunca llegó. Los chips de computadora superconductores parecían haber seguido el mismo camino que las permanentes y los pantalones con pinzas. Sin embargo, una empresa mantuvo viva la investigación. Recientemente visité la sede de SEEQC y la fundición de chips cuánticos de la empresa en el norte del estado de Nueva York, que en parte surgió del cerrado programa de computación superconductora de IBM. Allí conocí las esperanzas de la empresa de que los chips superconductores contribuyan a una nueva revolución tecnológica, esta vez con los ordenadores cuánticos.
Dentro de las instalaciones de fabricación de SEEQC, estoy rodeado de grandes máquinas y técnicos con trajes protectores de cuerpo completo. En algunas de estas salas blancas, se depositan repetida y cuidadosamente capas ultrafinas del metal superconductor niobio sobre capas de materiales dieléctricos, creando una delicada estructura tipo sándwich. En otros, los dispositivos de litografía utilizan la luz para escribir circuitos intrincados en estas estructuras, y cada pequeña zanja y surco se vuelve importante para los procesos cuánticos que los hacen funcionar. Todo el suelo está lleno de ruido y todo está bañado por una luz amarilla que, según me han dicho, interfiere menos que otros colores con el proceso de fabricación de chips. Mientras hablamos en una sala de conferencias adyacente, el director ejecutivo de SEEQC, John Levy, me entrega una versión del chip superconductor de la compañía, y me sorprende lo modestamente pequeño y cuadrado que es para un dispositivo que apunta a cambiar una industria ya futurista.
El problema que debemos resolver
Los superconductores transmiten electricidad con perfecta eficiencia, lo que los diferencia notablemente de todos los materiales que utilizamos habitualmente para la electrónica. Cuando conectas tu teléfono para cargarlo, el cable o el cargador a menudo se calientan, lo que disminuye la energía destinada a tu teléfono. Esto sucede hasta tal punto que, en 2017, el científico informático Michael Frank escribió: “Una computadora convencional es, esencialmente, un costoso calentador eléctrico que realiza una pequeña cantidad de cálculo como efecto secundario”.
Una computadora con componentes superconductores no tendría este problema. Pero hay un problema: todos los superconductores conocidos deben mantenerse extremadamente fríos o someterse a una presión extrema para que funcionen. Esto significa que una computadora superconductora siempre tendría que mantenerse a sólo unos pocos grados por encima del cero absoluto. Históricamente, esto resultó ser demasiado costoso e inconveniente. IBM puso fin a sus esfuerzos de investigación sobre computación superconductora en 1983. Ganaron las computadoras convencionales que arrojaban calor y, algo irónico, el costo energético de la computación no ha hecho más que aumentar, disparándose hoy en gran medida debido al auge de la IA.
Sin embargo, unas décadas más tarde, los superconductores volvieron a ser el centro de atención. En 1999, un equipo de investigadores en Japón creó el primer bit cuántico superconductor, o qubit, que es el componente más básico de una computadora cuántica. Se trataba de una propuesta fundamentalmente diferente de la que los investigadores habían intentado una década antes. En lugar de replicar la informática de uso común con materiales superconductores, abrieron la puerta a un tipo de informática completamente nueva, con dispositivos que procesan información a través de mecanismos que simplemente no existen en ninguna computadora convencional.
La computación cuántica ha avanzado mucho desde entonces y los qubits superconductores desempeñaron un papel en ese progreso. Google e IBM los utilizan para impulsar algunas de las computadoras cuánticas más poderosas de la actualidad, y esos dispositivos han comenzado a abordar problemas científicamente interesantes con un éxito alentador. Algunas demostraciones que muestran la “supremacía cuántica” sobre las computadoras clásicas son indiscutibles, lo que refuerza la promesa de que estas máquinas son fundamentalmente diferentes de cualquier computadora construida anteriormente.
Al mismo tiempo, las computadoras cuánticas aún no han cumplido sus promesas disruptivas: no han roto el cifrado ampliamente utilizado, no han descubierto nuevos medicamentos maravillosos ni han revolucionado la química industrial, solo por nombrar algunos. El camino para hacer cualquiera de esas cosas sigue plagado de desafíos técnicos y obstáculos de ingeniería.
¿Podría parte de la respuesta remontarse a los años 1980? Levy ciertamente así lo cree. Dice que su equipo está construyendo chips superconductores digitales que podrían permitir que las computadoras cuánticas se vuelvan más grandes, más poderosas y más fáciles de proteger contra errores, todo al mismo tiempo. Al otro lado del pasillo, los investigadores están probando chips en todo tipo de refrigeradores tubulares, mientras él me dice que su objetivo no es solo fabricar una herramienta más, o un componente más, sino reemplazar muchos componentes que actualmente hacen que las computadoras cuánticas sean voluminosas e ineficientes.
En esencia, una computadora cuántica superconductora consiste en un chip lleno de qubits superconductores y un refrigerador donde ese chip debe mantenerse para funcionar. Mirando desde el exterior, es posible que vea una elegante caja rectangular, generalmente tan alta como una persona. Pero hay más. Los qubits deben controlarse y monitorearse, la información debe ingresarse en ellos desde una computadora convencional y los resultados de sus cálculos también deben leerse en una computadora. Los qubits también son frágiles y propensos a cometer errores, por lo que deben ejecutar algoritmos de corrección de errores, que requieren controles sofisticados que monitoreen y ajusten muchos qubits a la vez en tiempo real. Por lo tanto, los componentes no cuánticos de una computadora cuántica son notablemente importantes para su funcionamiento, y ocupan mucho espacio y consumen mucha energía. Detrás de cada refrigerador alto que alberga qubits, suele haber otros gabinetes igualmente altos llenos de estantes de dispositivos convencionales que desperdician energía. Y hay innumerables cables que conectan las partes cuánticas y no cuánticas de la computadora.
Agregar más qubits, algo que hay que hacer para que una computadora sea más potente, requiere aún más cables. “Físicamente, no se puede seguir agregando cables para siempre”, dice Shu-Jen Han, director técnico de SEEQC. No sólo el espacio dentro del refrigerador se convierte en un problema, sino que cada cable trae consigo algo de calor, lo que luego perturba los qubits y arruina su rendimiento. La forma en que se conectan, controlan, cablean y empaquetan los qubits puede parecer una faceta esencial de la tecnología que sólo debería preocupar a los ingenieros y expertos, pero se ha convertido en uno de los problemas que impide que las computadoras cuánticas sigan madurando.
El chip SEEQC que tenía podría solucionar gran parte de esto.
El chip cuántico de SEEQC
Karmela Padavic-Callaghan
Se parece exactamente a un chip de computadora: pequeño y plano, con un rectángulo metálico encima de otro ligeramente más grande. Levy explica que el rectángulo pequeño contiene los qubits superconductores, mientras que el más grande es un chip informático convencional hecho de materiales superconductores que puede controlar digitalmente esos qubits. Debido a que ambos son superconductores, se pueden colocar en el mismo refrigerador, eliminando la necesidad de muchos de los dispositivos de temperatura ambiente de los que dependen actualmente las computadoras cuánticas.
No introducir calor adicional en el frigorífico es una clara ventaja, pero el chip de control superconductor también consume mucha menos energía. SEEQC proyecta que podría lograr una mejora mil millones de veces en la eficiencia energética de una computadora cuántica. Las estimaciones de la Iniciativa de Energía Cuántica indican que algunos diseños de computadoras cuánticas grandes y a prueba de errores requerirían más energía que las supercomputadoras convencionales existentes (esos gigantes que llenan habitaciones enteras) y gran parte de ese consumo de energía puede atribuirse a los componentes informáticos clásicos.
Debido a que los dos chips (el cuántico que computa y el clásico que lo controla) pueden estar muy juntos, hay menos demoras en la transmisión de instrucciones a los qubits y en cómo se leen y corrigen los errores de sus cálculos. Levy también me dijo que debido a que las señales del chip son digitales, los qubits que controla también deberían tener menos “diafonía” o interacciones no deseadas que los hagan más propensos a errores.
En 2025, hablé con David DiVincenzo, quien, hace casi 20 años, propuso siete condiciones para construir una computadora cuántica funcional que los investigadores aún siguen. Me dijo que cuando imagina una computadora cuántica útil y poderosa, es un dispositivo de un millón de qubits que podría comprender salas enteras llenas de maquinaria, más parecidas a instalaciones de colisionadores de partículas que a una computadora portátil o un bastidor en un centro de datos. El equipo de SEEQC está trabajando para evitar este futuro sobredimensionado. Para los fanáticos de la informática, piensen en Mac, no en ENIAC.
El equipo de SEEQC está probando actualmente sus chips en varias configuraciones y con qubits fabricados tanto por sus propios investigadores como por otros fabricantes de ordenadores cuánticos. Levy dice que las primeras pruebas muestran un buen rendimiento en todos los ámbitos, lo que habla de la versatilidad del chip. Al mismo tiempo, todas las pruebas se han limitado a una pequeña cantidad de qubits, generalmente menos de 10, que es varios órdenes de magnitud más pequeños que las computadoras cuánticas prácticas del futuro que la empresa espera habilitar.
También surgen problemas de física: los superconductores tienen propensión a llenarse de pequeños vórtices cuánticos cuando hay un campo magnético cerca, como los que se utilizan para sintonizar algunos qubits. Oleg Mukhanov, director científico de SEEQC, me habló del método que la empresa innovó para abordar este problema, en el que otro campo electromagnético arrastra los vórtices. Brevemente, me sentí transportado a mi época en la escuela de posgrado y en clases de física de superconductores: ni siquiera las tecnologías más futuristas pueden escapar a los caprichos de los efectos cuánticos fundamentales.
¿Podrían los circuitos superconductores elevarse y enviarme aún más atrás? Quizás sea el momento adecuado para que los años 80 regresen al mundo cuántico, aunque espero que dejemos atrás las hombreras.
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