El premio Nobel dice que construirá la computadora cuántica más poderosa del mundo

John Martinis es un tipo de hardware. Prefiere el meollo de la cuestión de hacer física en el laboratorio al mundo idealizado de los libros de texto. Pero no se podrían escribir los libros de historia de la computación cuántica sin él: fue fundamental en dos de los momentos más cruciales en este campo. Y está trabajando duro para perseguir el siguiente.

Todo comenzó en la década de 1980, cuando Martinis y sus colegas realizaron una serie de experimentos para sondear los límites de lo que se sabía sobre los efectos cuánticos; por este trabajo ganó un premio Nobel el año pasado. Cuando era estudiante de posgrado en la Universidad de California, Berkeley, sabíamos que las partículas subatómicas estaban sujetas a efectos cuánticos, pero la pregunta era si el mundo de la mecánica cuántica podría extenderse a escalas mayores.

Martinis y sus colegas construyeron y estudiaron circuitos hechos de una mezcla de superconductores y aislantes, donde resultó que muchas partículas cargadas dentro del circuito se comportaban como si fueran una sola partícula cuántica. Se trataba de cuántica macroscópica y sentó las bases para la construcción de algunas de las computadoras cuánticas más poderosas de la actualidad, incluidas las que actualmente defienden IBM y Google. De hecho, el trabajo de Martinis puso en marcha la tendencia de los gigantes tecnológicos a utilizar bits cuánticos, o qubits, fabricados a partir de circuitos superconductores: los qubits más utilizados en el mundo hoy en día.

La segunda vez que Martinis revolucionó el campo, lideraba el equipo de investigadores de Google que construyeron la computadora cuántica que logró la “supremacía cuántica” por primera vez. Durante casi cinco años, fue la única computadora del mundo, cuántica o no, que podía verificar la salida de un circuito cuántico aleatorio. Posteriormente fue superado por las computadoras clásicas.

Ahora, a punto de cumplir 70 años, Martinis cree que puede conseguir otra victoria histórica con qubits superconductores. En 2024, cofundó QoLab, una empresa de computación cuántica que, según él, adoptará un enfoque radicalmente nuevo para intentar crear lo que todos en el campo han estado persiguiendo: computadoras cuánticas verdaderamente prácticas.

Karmela Padavic-Callaghan: Usted causó sensación al principio de su carrera haciendo un trabajo realmente fundamental. ¿Cuándo empezó a comprender que su experimento podría conducir a una nueva tecnología?

John Martinis: Había una pregunta sobre si una variable macroscópica podría evadir la mecánica cuántica, y siendo yo joven y recién aprendiendo mecánica cuántica, parecía que era algo que necesitábamos probar. Quizás, si fueras mayor, simplemente asumieras que la mecánica cuántica funcionaría. Pero cuando era un joven estudiante, hacer una prueba fundamental de la mecánica cuántica me parecía un experimento fantástico.

Lo primero que hicimos fue montar un experimento muy rudimentario y rápido utilizando la tecnología del momento. Cuando tomamos los datos, el experimento fue un completo fracaso. Pero pudimos fallar rápidamente, así que no importó. Al final, fue un experimento en el que había que entender la ingeniería de microondas. Había que entender el ruido, había muchas cosas técnicas que teníamos que hacer, pero [success] sucedió bastante rápido después de eso.

Durante los primeros 10 años posteriores a eso, realizamos este experimento y construimos dispositivos cuánticos. Luego, la teoría de la computación cuántica avanzó mucho, diría especialmente el algoritmo de Shor. [which factors large numbers for breaking cryptography]luego corrección de errores [algorithms] poco después. Eso proporcionó una base firme para el campo. La gente ahora podía imaginarse construyendo algo. Gracias a eso, hubo financiación disponible.

¿Cómo cambió la financiación la investigación y, en última instancia, la tecnología?

Las cosas realmente han cambiado desde los años 1980. En aquel entonces, ni siquiera se había probado si un único sistema cuántico podía manipularse y medirse adecuadamente. Es interesante dónde han ido las cosas en los últimos 40 años. ¡La computación cuántica se ha convertido en un campo enorme! Lo que más nos enorgullece de todo esto es cómo tantos físicos trabajan ahora para comprender la mecánica cuántica de estos sistemas superconductores y para construir computadoras cuánticas.

Usted participó en los primeros días de la computación cuántica. ¿Cómo le ayuda eso a comprender hacia dónde se dirige el campo ahora?

Habiendo sido parte del campo todo el tiempo, entiendo los fundamentos de la física. Construí la primera electrónica de microondas para [quantum devices] En nuestro grupo de la Universidad de California, Santa Bárbara, y luego en Google, construí mis propios criostatos. [devices that keep superconducting quantum computers chilled to the extremely cold temperatures they need to operate]. Estuve involucrado en la fabricación de cada elemento. Creo que mucha gente, si no ha pasado por todo eso, será optimista y pensará que seguiremos adelante. Sé dónde están todos los problemas. Si quieres construir un sistema informático muy complicado, todo es ingeniería de sistemas, y creo que tengo la ventaja de que entiendo bastante bien la física básica de todo.

¿Cómo cree que debe cambiar el hardware de la computación cuántica para que las computadoras cuánticas sean útiles y prácticas? ¿A qué cambios apuesta como inicio del próximo avance?

Después de dejar Google, pensé en una computadora cuántica como un sistema completo y repensé todos los fundamentos de lo que realmente tenemos que construir y mejorar. QoLab se basa en eso, con cambios bastante dramáticos en la forma en que construimos los qubits. [in terms of manufacturing techniques] y cómo se monta todo, especialmente el cableado.

Lo que nos dimos cuenta es que hay que pensar en construir computadoras cuánticas de una manera totalmente diferente para que la tecnología sea confiable y reducir el costo. Es difícil y difícil de entender para la gente. Hemos tenido una sorprendente cantidad de rechazo y escepticismo, pero según mi experiencia en física durante muchas décadas, esto significa que tenemos una buena idea.

A veces escuchamos que para hacer una computadora cuántica libre de errores que sea realmente útil, se necesitará una gran cantidad de qubits, millones. ¿Cómo llegas allí?

En términos de dónde buscamos generar la mayor disrupción, es en la fabricación y, en particular, en la fabricación de chips cuánticos, que también es la parte más difícil. Si nos fijamos en lo que todo el mundo está haciendo –Google, IBM, Amazon y muchas otras empresas– están utilizando técnicas de fabricación que son, no sé, algo así como los años cincuenta o sesenta. No sé [any other industry that] construye circuitos reales hoy en día con esos métodos. Entonces, nuestra opinión es que si quieres crear un millón de qubits y hacerlos confiables, debes hacer otra cosa.

Estamos muy entusiasmados con la forma en que podemos cambiar fundamentalmente la forma en que se construyen estos dispositivos. Y tenemos una arquitectura para los chips que puede ayudar a eliminar todos los cables. Si miras una foto de [superconducting] Las computadoras cuánticas son solo una jungla de cables y componentes de microondas. Quiero poner todo eso en un chip y poder ampliarlo. En los qubits superconductores, el gran problema es el cableado y estamos trabajando para solucionarlo.

¿Cree que habrá un claro ganador en la carrera por una computadora cuántica práctica dentro de, digamos, cinco años?

Hay muchas maneras diferentes en que la gente intenta construir una computadora cuántica y, dado que las limitaciones de la ingeniería de sistemas son muy difíciles, creo que es bueno abordar este problema de muchas maneras diferentes. Creo que es bueno que se financien muchas ideas diferentes, porque entonces las posibilidades de que las personas logren un gran avance son mayores. Pero cuando pienso en esas limitaciones, y hay muchas, generalmente diría que muchos de los proyectos están siendo un poco, simplemente diré, ingenuos acerca de lo que realmente se necesita para cumplirlas, como la gestión de costos o la producción de dispositivos a escala. Por otro lado, estoy seguro de que muchos equipos de investigación tienen ideas para resolver algunos de sus problemas de diseño de las que no hablan públicamente.

Y creo que el plan de negocios de QoLab es un poco diferente, tal vez incluso único, en el sentido de que estamos adoptando la colaboración porque sentimos que necesitamos toda la experiencia. Estamos trabajando con empresas de hardware que saben cómo escalar y cómo realizar una fabricación sofisticada.

Si mañana alguien te regalara una computadora cuántica muy grande y a prueba de errores, ¿qué sería lo primero que probarías?

Estoy realmente interesado en utilizar una computadora cuántica para resolver problemas de química cuántica y materiales cuánticos. Hay algunos artículos recientes sobre su uso para ayudar. [extract more useful information from] Experimentos de resonancia magnética nuclear (RMN) en química y realmente me gusta como aplicación inicial. Este problema cuántico es difícil de resolver en una supercomputadora clásica debido a las dificultades básicas de la mecánica cuántica. Pero eso, por supuesto, se resuelve fundamentalmente con una computadora cuántica: simplemente estás mapeando un problema cuántico en una computadora cuántica. Puedo entusiasmarme con eso, en parte porque me gusta tener ideas definidas sobre cómo construir [a device] y la gente ha desarrollado algoritmos definidos para hacer [applications like enhancing NMR].

Mucha gente tal vez pensaría en hacer algo con, digamos, problemas de optimización e inteligencia artificial cuántica. Para mí, eso es más bien “pruébalo y ve si funciona”. La teoría detrás de las aplicaciones de materiales y de la química es mucho más definida. Sabemos lo grande que es [quantum computer] tiene que ser. Esa máquina es algo que creo que podemos construir, tanto en términos de tamaño como de velocidad de ejecución.

Algunos de los usos potenciales de las computadoras cuánticas se determinaron matemáticamente hace más de 30 años. ¿Por qué no se han hecho realidad todavía?

Puedes abstraer el comportamiento de un qubit e imaginar cómo construir una computadora cuántica, y esto es genial, porque entonces puedes tener científicos informáticos, matemáticos y teóricos pensando en ello. Pero el verdadero problema aquí es que los qubits reales tienen fuentes de ruido. [such as heat from external wires, or impurities in the qubit’s own material]y problemas que son cosas físicas. Muchos de los grandes esfuerzos de computación cuántica están a cargo de teóricos, lo cual está bien, pero el sistema real es mucho más complicado, al igual que lo que hay que hacer para construir el hardware que pueda funcionar correctamente.

En [my graduate advisor] En el grupo de John Clarke me entrenaron para comprender el ruido. Este tipo de experiencia fue realmente beneficiosa para mí y para las personas con las que trabajé, porque pensábamos en los qubits de esta manera tan física, tratando de deshacernos de los mecanismos de ruido físico que hacen que los chips no sean confiables. Esto es lo que ocurrió con el experimento de supremacía cuántica; [some of the noise comes from the fact that] tienes estos “estados de dos niveles” que están en tu dispositivo y lo operas para evitarlos. Puedes hacer que funcione, pero es un verdadero dolor de cabeza y dificulta el escalado. Mi esperanza es que nosotros 1770202027 deshacerse de ese efecto o reducirlo. Hay que entrar en los detalles del diseño de qubits para entenderlo.

El problema es que hay que tener tanto el hardware como las ideas para las aplicaciones, y creo que necesitamos mejorar mucho el hardware en todo el campo. Entonces, eso es en lo que me estoy centrando.

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