Esta nueva arquitectura utilizada para desarrollar el procesador Majorana 1 ofrece un camino claro para encajar un millón de qubits en un solo chip que puede caber en la palma de la mano.
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Microsoft presentó Majorana 1, el primer chip cuántico del mundo impulsado por una nueva arquitectura de núcleo topológico que se espera que haga realidad ordenadores cuánticos capaces de resolver problemas significativos a escala industrial en años, no en décadas.
Aprovecha el primer topoconductor del mundo, un tipo de material innovador que puede observar y controlar partículas de Majorana para producir qubits más confiables y escalables, que son los componentes básicos de las computadoras cuánticas.
De la misma manera que la invención de los semiconductores hizo posible los teléfonos inteligentes, las computadoras y la electrónica de hoy, topoconductores y el nuevo tipo de chip que permiten ofrecen un camino para el desarrollo de sistemas cuánticos que pueden escalar a un millón de qubits y son capaces de abordar los problemas industriales y sociales más complejos, dijo Microsoft.
«Dimos un paso atrás y dijimos: ‘Está bien, inventemos el transistor para la era cuántica. ¿Qué propiedades debe tener?’», dijo Chetan Nayak, miembro técnico de Microsoft. «Y así es como en realidad llegamos aquí: es la combinación particular, la calidad y los detalles importantes en nuestra nueva pila de materiales lo que ha permitido un nuevo tipo de qubit y, en última instancia, toda nuestra arquitectura».
Esta nueva arquitectura utilizada para desarrollar el procesador Majorana 1 ofrece un camino claro para encajar un millón de qubits en un solo chip que puede caber en la palma de la mano, dijo Microsoft. Este es un umbral necesario para que los ordenadores cuánticos ofrezcan soluciones transformadoras del mundo real, como la descomposición de los microplásticos en subproductos inofensivos o la invención de materiales autorreparables para la construcción, la fabricación o la sanidad. Todas las computadoras actuales del mundo que operan juntas no pueden hacer lo que una computadora cuántica de un millón de qubits será capaz de hacer.
«Lo que sea que hagas en el espacio cuántico debe tener un camino a un millón de qubits. Si no es así, vas a chocar contra un muro antes de llegar a la escala en la que puedas resolver los problemas en verdad importantes que nos motivan», dijo Nayak. «De hecho, hemos trazado un camino hacia el millón».
El topoconductor, o superconductor topológico, es una categoría especial de material que puede crear un estado nuevo por completo de la materia, no un estado sólido, líquido o gaseoso, sino un estado topológico. Esto se aprovecha para producir un qubit más estable que es rápido, pequeño y puede controlarse de manera digital, sin las compensaciones requeridas por las alternativas actuales. Un nuevo artículo publicado el miércoles en Nature describe cómo los investigadores de Microsoft pudieron crear las exóticas propiedades cuánticas del qubit topológico y también medirlas con precisión, un paso esencial para la computación práctica.
Este avance requirió el desarrollo de una pila de materiales nueva por completo hecha de arseniuro de indio y aluminio, gran parte de los cuales Microsoft diseñó y fabricó átomo por átomo. El objetivo era crear nuevas partículas cuánticas llamadas Majoranas y aprovechar sus propiedades únicas para alcanzar el próximo horizonte de la computación cuántica, dijo Microsoft.
El primer núcleo topológico del mundo que alimenta el Majorana 1 es fiable por diseño, a través de la incorporación resistencia al error a nivel de hardware, lo que lo hace más estable.
Las aplicaciones importantes a nivel comercial también requerirán billones de operaciones en un millón de qubits, lo que sería prohibitivo con los enfoques actuales que se basan en el control analógico ajustado de cada qubit. El nuevo enfoque de medición del equipo de Microsoft permite que los qubits se controlen de manera digital, lo que redefine y simplifica de manera importante el funcionamiento de la computación cuántica.
Este progreso valida la elección de Microsoft hace años de perseguir un diseño de qubit topológico, un desafío científico y de ingeniería de alto riesgo y alta recompensa que ahora da sus frutos. Hoy, la compañía ha colocado ocho qubits topológicos en un chip diseñado para escalar a un millón.
«Desde el principio quisimos hacer una computadora cuántica para tener un impacto comercial, no solo para el liderazgo de pensamiento», dijo Matthias Troyer, miembro técnico de Microsoft. «Sabíamos que necesitábamos un nuevo qubit. Sabíamos que teníamos que escalar».
Ese enfoque llevó a la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA, por sus siglas en inglés), una agencia federal que invierte en tecnologías innovadoras que son importantes para la seguridad nacional, a incluir a Microsoft en un programa riguroso para evaluar si las tecnologías innovadoras de computación cuántica podrían construir sistemas cuánticos relevantes a nivel comercial, más rápido de lo que por lo general se creía posible.
Microsoft es ahora una de las dos empresas invitadas a pasar a la fase final del programa Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC, por sus siglas en inglés) de DARPA, uno de los programas que conforman la Iniciativa de Benchmarking Cuántico más grande de DARPA, que tiene como objetivo ofrecer la primera computadora cuántica tolerante a fallas a escala de utilidad de la industria, o una cuyo valor computacional supere sus costos.
«Tan solo le da la respuesta»
Además de fabricar su propio hardware cuántico, Microsoft se ha asociado con Quantinuum y Atom Computing para alcanzar avances científicos y de ingeniería con los qubits actuales, incluido el anuncio el año pasado de la primera computadora cuántica confiable de la industria.
Este tipo de máquinas ofrecen importantes oportunidades para desarrollar habilidades cuánticas, crear aplicaciones híbridas e impulsar nuevos descubrimientos, en especial a medida que la IA se combina con nuevos sistemas cuánticos que serán impulsados por un mayor número de qubits confiables. En la actualidad, Azure Quantum ofrece un conjunto de soluciones integradas que permiten a los clientes aprovechar estas plataformas líderes de IA, informática de alto rendimiento y cuánticas en Azure para avanzar en el descubrimiento científico.
Pero alcanzar el próximo horizonte de la computación cuántica requerirá una arquitectura cuántica que pueda proporcionar un millón de qubits o más y alcanzar billones de operaciones rápidas y fiables. El anuncio de hoy pone ese horizonte dentro de años, no de décadas, dijo Microsoft.
Debido a que pueden usar la mecánica cuántica para mapear de manera matemática cómo se comporta la naturaleza con una precisión increíble, desde las reacciones químicas hasta las interacciones moleculares y las energías enzimáticas, las máquinas de millones de qubits deberían ser capaces de resolver ciertos tipos de problemas en química, ciencia de materiales y otras industrias que son imposibles de calcular con precisión para las computadoras clásicas de hoy.
- Por ejemplo, podrían ayudar a resolver la difícil cuestión química de por qué los materiales sufren corrosión o grietas. Esto podría conducir a materiales autorreparables que reparan grietas en puentes o partes de aviones, pantallas de teléfonos rotas o puertas de automóviles rayadas.
- Debido a que hay tantos tipos de plásticos, en la actualidad no es posible encontrar un catalizador único que pueda descomponerlos, lo que es en especial importante para limpiar los microplásticos o abordar la contaminación por carbono. La computación cuántica podría calcular las propiedades de dichos catalizadores para descomponer los contaminantes en subproductos valiosos o desarrollar alternativas no tóxicas en primer lugar.
- Las enzimas, una especie de catalizador biológico, podrían aprovecharse de manera más efectiva en la atención médica y la agricultura, gracias a cálculos precisos sobre su comportamiento que solo la computación cuántica puede proporcionar. Esto podría conducir a avances que ayuden a erradicar el hambre en el mundo: aumentar la fertilidad del suelo para aumentar los rendimientos o promover el crecimiento sostenible de alimentos en climas severos.
Sobre todo, la computación cuántica podría permitir a ingenieros, científicos, empresas y otros diseñar las cosas de manera correcta la primera vez, lo que sería transformador para todo, desde la atención médica hasta el desarrollo de productos. El poder de la computación cuántica, combinado con las herramientas de inteligencia artificial, permitiría a alguien describir qué tipo de nuevo material o molécula desea crear en un lenguaje sencillo y obtener una respuesta que funcione de inmediato, sin conjeturas ni años de prueba y error.
«Cualquier empresa que fabrique algo podría diseñarlo a la perfección la primera vez. Ta solo le daría la respuesta», dijo Troyer. «La computadora cuántica le enseña a la IA el lenguaje de la naturaleza para que la IA pueda decirte la receta de lo que quieres hacer».
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