¿Qué es ese “nuevo estado de la materia” del chip cuántico Majorana 1 de Microsoft?

Microsoft presentó su nuevo chip cuántico, el Majorana 1, con la promesa de que la computación cuántica finalmente podrá resolver problemas útiles. Gracias a su arquitectura y tamaño, el procesador tiene el potencial de apilarse en una sola placa, alcanzando así la escala de los millones de qubits, el «santo grial» del procesamiento. Satya Nadella, CEO de la firma, anunció que el logro fue posible tras el estudio de un «nuevo estado de la materia», totalmente diferente al sólido, líquido y gaseoso.

El estado de la materia al que se refería Nadella es la superconductividad topológica. Es un fenómeno recién explorado donde se unen las atractivas propiedades de la conducción eléctrica sin resistencia con los enigmáticos estados topológicos de la materia, conocidos por presentar resistencia a la deformación.

Con las condiciones adecuadas, materiales asociados a la computación (como el aluminio) pueden «entrar» en el estado de la superconductividad topológica y manifestar nuevos comportamientos con sus propios beneficios. Con un material topoconductor, la transferencia de partículas en una computadora cuántica no tiene obstáculos y, al mismo tiempo, las protege de alteraciones externas.

Antes que nada, ¿qué es un estado de la materia?

Una persona comprende intuitivamente que un estado de la materia es la forma o presentación que tiene un elemento en la vida diaria. Hay moléculas que circulan libres en el aire, otras están unidas y mantienen su forma como una roca, y también están las que se agrupan según la forma de un contenedor: son los tradicionales estados gaseoso, sólido y líquido, respectivamente.

Pero en física, un «estado» es una fase de la materia con características únicas que se pueden describir matemáticamente. Cada estado depende de factores externos, como temperatura o presión. Una vez que las partículas entran en un estado, sus propiedades cambian en relación a otras de la misma composición química. El agua, cuando pasa de estado líquido a sólido, aumenta su volumen pero disminuye su densidad. También deja de tener flexibilidad e incluso su conductividad térmica o propiedad óptica disminuyen, aunque esté compuesta por las mismas moléculas de hidrógeno y oxígeno.

Los estados de la materia aumentan según se diseñen mejores tecnologías para ponerlas a prueba. Además de los tres estados que se conocen tradicionalmente, ahora se estudian el estado de plasma (muy presente en contextos espaciales), el condensado de Bose-Einstein y, recientemente, el de la superconductividad topológica.

Majorana 1, más que potencia, reinvención de arquitectura, según Microsoft

Vale la pena hacer un par de aclaraciones: 1) Un qubit (o cúbit) es la unidad fundamental de información en la computación cuántica, comparable al bit de las computadoras convencionales. 2) actualmente hay una competencia por ver qué compañía crea el chip con más qubits dentro, similar a la competencia por los microprocesadores con mayor velocidad.

La informática cuántica enfrenta dos grandes retos, la escalabilidad y el número de qubits útiles. Para construir una unidad de procesamiento con miles de qubits, es necesario conectarlos entre sí, pero ello implica construir ordenadores tan grandes que dejan de ser prácticos. Además, debido a la propia naturaleza de la tecnología que requiere de ambientes controlados, los qubits tienden a perder coherencia. No todos son funcionales porque el estado cuántico del qubit se perturba por variaciones en la temperatura, vibraciones o ruido electromagnético. Los chips cuánticos topoconductores tienen el potencial de abordar estos dos problemas fundamentales de manera eficaz.

El nuevo chip cuántico de Microsoft que aprovecha la superconductividad topológica promete un mejor procesamiento de información al mismo tiempo que se protege del «ruido» exterior, el principal enemigo de los qubits. La firma asegura que creó Majorana 1 combinando arseniuro de indio, un semiconductor, con aluminio, un superconductor. Al enfriar los compuestos a temperaturas cercanas al cero absoluto y agregar campos magnéticos, se formaron nanocables superconductores topológicos. Su objetivo era alcanzar un estado cuántico propuesto desde 1937, llamado modos cero de Majorana (de ahí el nombre del chip), que se caracteriza por su robustez frente a perturbaciones externas.

Las bases que condujeron a la comprensión del estado de superconductividad topológica llevan décadas en la mente de los científicos. Solo hasta hace 20 años, la física avanzó lo suficiente como para desarrollar un marco coherente que condujera a aplicaciones reales. Microsoft tomó la teoría y creó el chip Majorana 1. Para ellos, más que un avance de potencia que conduzca a la supremacía cuántica, es un cambio en la infraestructura fundamental de la tecnología. Su logro es comparable con haber rediseñado el transistor, afirman.

«Al igual que la invención de los semiconductores hizo posible la construcción de los smartphones, los topoconductores y Majorana 1 iluminan el camino hacia el desarrollo de computadoras cuánticas escalables hasta un millón de qubits. Dimos un paso atrás y dijimos: Intentemos… reinventar el transistor de la era cuántica'», explica Chetan Nayak, investigador de Microsoft.

(wired.com)

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