Entendiendo Majorana 1 de Microsoft y su impacto en el futuro de la computación cuántica

Introducción

Esta semana, Microsoft fue noticia con el lanzamiento de su innovador chip de computadora cuántica, Majorana 1. Lo suficientemente compacto como para caber en la palma de la mano, este innovador chip utiliza qubits topológicos, un concepto que, si bien es complejo, ofrece ventajas significativas en términos de resistencia a errores.

Actualmente, Majorana 1 cuenta con 8 cúbits, pero Microsoft tiene planes de ampliar esta capacidad a un millón de cúbits en el futuro. Este avance redefine el cronograma para las computadoras cuánticas prácticas, reduciendo la espera de décadas a solo unos pocos años.

En este editorial, exploraremos el potencial transformador de la computación cuántica, examinaremos su contexto histórico, profundizaremos en los detalles de Majorana 1 y evaluaremos las proyecciones de la industria sobre el cronograma para el desarrollo de la computación cuántica.

Las ventajas de la computación cuántica

Los ordenadores cuánticos han sido un término de moda durante años, pero muchos consideran que el tema es desalentador. La conclusión clave es que, una vez que se materialicen plenamente, los ordenadores cuánticos superarán a los sistemas clásicos en la resolución de problemas específicos y acelerarán significativamente el procesamiento de datos complejos.

La informática clásica se basa en bits, que representan valores binarios de 0 o 1. Estos bits sirven como unidades fundamentales para los cálculos dentro de microchips, que a menudo contienen miles de millones de transistores que funcionan como puertas lógicas para operaciones como AND, OR y NOT. Este procesamiento secuencial, aunque efectivo, limita inherentemente la velocidad computacional.

En cambio, los ordenadores cuánticos utilizan cúbits, que poseen propiedades únicas que les permiten representar 0, 1 o ambos simultáneamente, un fenómeno conocido como superposición. Esta capacidad permite a los sistemas cuánticos procesar información en paralelo, lo que mejora enormemente la eficiencia.

Otro aspecto poderoso de la computación cuántica es el entrelazamiento, en el que los cúbits se interconectan de tal manera que el estado de uno influye directamente en el otro, independientemente de la distancia. Esta relación mejora la velocidad de procesamiento de la información y facilita la resolución de problemas complejos.

La interferencia es otro principio fundamental que interviene en la computación cuántica y que ayuda a refinar los resultados computacionales. Al amplificar los resultados deseados y minimizar otros, la interferencia optimiza la eficiencia de los cálculos.

Los ordenadores cuánticos utilizan puertas cuánticas, que complementan las puertas lógicas utilizadas en los ordenadores clásicos, para ejecutar algoritmos cuánticos como el algoritmo de Shor para factorizar números grandes y el algoritmo de Grover para acelerar las búsquedas en bases de datos. Esta capacidad permite a las máquinas cuánticas abordar problemas que los sistemas clásicos no pueden resolver de manera eficiente.

La realización de la computación cuántica práctica revolucionará numerosos campos, entre ellos la criptografía, los productos farmacéuticos, la inteligencia artificial, los servicios financieros, la modelización climática y muchos más. Por ejemplo, si bien las computadoras cuánticas representan una amenaza para los métodos de cifrado actuales, también pueden allanar el camino para sistemas criptográficos más seguros.

Además, el potencial de las computadoras cuánticas para acelerar el descubrimiento de fármacos y mejorar la ciencia de los materiales es profundo, mejorando nuestra capacidad de simular interacciones moleculares con una precisión sin precedentes.

En el ámbito financiero, la computación cuántica permitirá desarrollar estrategias de inversión más sofisticadas al evaluar numerosos escenarios a la vez. Sectores como la atención sanitaria, las telecomunicaciones y la industria manufacturera se beneficiarán considerablemente de las eficiencias que la computación cuántica podría generar, lo que probablemente se traducirá en ahorros de costos que beneficiarán a los consumidores.

Breve descripción de la historia de la computación cuántica

Los conceptos que sustentan la computación cuántica surgieron en la década de 1980, aunque no se conoce con certeza su origen. El físico estadounidense Paul Benioff fue uno de los primeros en describir un modelo mecánico cuántico de computación, mientras que Richard Feynman sugirió aprovechar la computación cuántica para simular sistemas físicos que las computadoras clásicas no lograban modelar de manera efectiva.

El físico británico David Deutsch hizo contribuciones históricas, incluida la máquina de Turing cuántica y los principios de corrección de errores cuánticos, que prepararon el terreno para avances futuros.

La década de 1990 fue testigo de la introducción de algoritmos cuánticos fundamentales como los de Shor y Grover, así como de los primeros prototipos de computadoras cuánticas de instituciones como IBM y el MIT.

A principios de la década de 2000, Microsoft inició su exploración de la teoría cuántica topológica, que sentó las bases para el chip Majorana 1. El emblemático D-Wave One fue noticia en 2011 como el primer ordenador cuántico comercial, seguido por el Sycamore de Google, que alcanzó la supremacía cuántica en 2019 al resolver un problema complejo exponencialmente más rápido que los sistemas clásicos.

A medida que avanzamos en la década de 2020, importantes empresas tecnológicas como IBM, Google y Microsoft surgieron como líderes en la carrera hacia las computadoras cuánticas prácticas, estableciendo ambiciosos hitos de desarrollo destinados a lograr avances transformadores alrededor de 2035.

Al reconocer la necesidad crítica de que el desarrollo de software complemente los avances en hardware, Microsoft presentó el lenguaje de programación Q#, que ofrece una sintaxis de alto nivel para la implementación de algoritmos cuánticos dentro de su ecosistema. De manera similar, OpenQASM de IBM y el marco Cirq de Google permiten a los desarrolladores crear aplicaciones cuánticas, a menudo aprovechando simuladores antes de implementarlas en hardware cuántico.

La hoja de ruta de computación cuántica de Microsoft y Majorana 1

El 19 de febrero de 2025, Microsoft presentó su chip cuántico Majorana 1, que inicialmente contaba con 8 cúbits topológicos, pero que estaba diseñado para una escalabilidad de hasta 1 millón. Esta innovación se distingue de la competencia debido a la resistencia superior a los errores que ofrecen los cúbits topológicos, una característica esencial para superar los desafíos comunes en la computación cuántica.

La resistencia a los errores es primordial, ya que los estados cuánticos son notoriamente frágiles. A medida que Microsoft aumenta gradualmente la cantidad de cúbits, las ventajas de los cúbits topológicos para minimizar los errores serán cada vez más evidentes.

El nombre del chip Majorana 1 rinde homenaje al físico italiano Ettore Majorana, que teorizó sobre las partículas Majorana, entidades únicas que aportan propiedades fundamentales a los cúbits topológicos. La resiliencia inherente a los errores de estos cúbits se debe a la característica única de las partículas Majorana de ser sus antipartículas, lo que facilita una codificación de datos más estable.

El chip Majorana 1 de Microsoft marca la segunda fase de una hoja de ruta integral de seis pasos para crear sistemas cuánticos prácticos. Las etapas de la hoja de ruta incluyen:

HITO 01: Crear y controlar Majoranas

La ingeniería de dispositivos para inducir y manipular la fase topológica de la materia ha permitido el desarrollo de un nuevo tipo de qubit.

HITO 02: Qubit protegido por hardware

Este paso introduce un qubit protegido con protección contra errores incorporada, haciendo la transición de la tecnología de qubit del control analógico al digital.

HITO 03: Qubits protegidos por hardware de alta calidad

El objetivo es escalar las operaciones minimizando los errores mediante el entrelazamiento y trenzado de qubits controlados digitalmente de alta calidad.

HITO 04: Sistema multi-qubit

Una unidad de procesamiento cuántico (QPU) multifacética permite una variedad de algoritmos cuánticos a través de operaciones combinadas de qubit.

HITO 05: Sistema cuántico resiliente

Lograr la superioridad operativa con verdaderos qubits lógicos constituye la base para operaciones cuánticas confiables y sienta las bases para la supercomputación cuántica.

HITO 06: Supercomputadora cuántica

Una supercomputadora cuántica superará a los sistemas clásicos, abordando inicialmente desafíos computacionales a 1 millón de rQOPS/seg confiables con una tasa de error de menos de uno en un billón, escalando a 100 millones para problemas científicos avanzados.

Microsoft tardó 18 meses en pasar del primer hito al segundo, con el firme compromiso de alcanzar los hitos posteriores en un plazo similar. Esta perspectiva optimista sugiere que Microsoft podría alcanzar su objetivo final en 2031, aunque los objetivos pueden extenderse hasta 2035 en función de la complejidad de cada fase.

El trabajo de Microsoft en el chip Majorana 1 ha despertado un interés significativo, especialmente por parte de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA).Microsoft es una de las dos únicas empresas que avanzan en la iniciativa de la DARPA Sistemas Subexplorados para Computación Cuántica a Escala de Servicios Públicos (US2QC), que busca desarrollar la primera computadora cuántica a escala de servicios públicos y tolerante a fallas.

El futuro de la computación cuántica: ¿Qué tan cerca estamos?

Determinar el cronograma exacto para la llegada de computadoras cuánticas completamente funcionales sigue siendo un desafío. Actualmente, hay sistemas con cientos de cúbits operativos, pero lograr un millón de cúbits estables aún es un objetivo lejano. Cuestiones técnicas como la reducción de errores y la necesidad de enfriamiento extremo son obstáculos persistentes.

Siguiendo un modelo similar al de Microsoft, Google ha trazado una hoja de ruta de seis pasos, alcanzando sus dos hitos iniciales en 2019 y 2023, respectivamente. Durante la última etapa, Google reveló un ordenador cuántico equipado con 100 cúbits físicos, aspirando a alcanzar 1.000, 10.000, 100.000 y, finalmente, 1 millón de cúbits físicos a través de hitos posteriores.

El chip Sycamore de Google — Google logró su segundo hito con el chip Sycamore. Crédito: Google

Si Google mantiene su ritmo actual de desarrollo, los hitos 3, 4, 5 y 6 podrían alcanzarse en 2027, 2031, 2035 y 2039, respectivamente, en estrecha línea con las predicciones de Microsoft.

IBM prevé disponer de un ordenador cuántico capaz de ejecutar miles de cúbits lógicos en 2033. Este enfoque se centra en la codificación de cúbits lógicos en varios cúbits físicos para minimizar los errores. Si bien IBM y Google siguen estrategias similares, el enfoque de Microsoft, que utiliza cúbits topológicos, puede proporcionar una ventaja competitiva debido a su diseño inherentemente estable.

Hay numerosos desafíos que deben superarse antes de que las computadoras cuánticas prácticas se vuelvan omnipresentes, entre ellos, minimizar las tasas de error, abordar la decoherencia y superar los problemas de escalabilidad. Los sistemas cuánticos que están en funcionamiento actualmente tienen una cantidad limitada de cúbits y aumentar su número agrega complejidad.

Para que la computación cuántica pase de la teoría al uso práctico, son cruciales los avances en materiales, incluidos los semiconductores y los aislantes topológicos. Estos materiales deben ser estables, asequibles y reproducibles para dar soporte a sistemas cuánticos a gran escala.

Los costos operativos y los requisitos de enfriamiento actualmente restringen las implementaciones de computación cuántica a los gobiernos y las grandes empresas tecnológicas, lo que requiere innovaciones que permitan la miniaturización y la funcionalidad a temperaturas más altas.

Por último, la falta de estandarización entre sistemas dispares plantea un desafío a largo plazo. Dado que varias empresas tecnológicas persiguen enfoques únicos, un estándar unificado es esencial para lograr integraciones más amplias en el futuro.

Conclusión

Este editorial describió las numerosas ventajas que plantean las computadoras cuánticas, proporcionó una historia sucinta de su evolución y articuló la importancia del chip Majorana 1 de Microsoft junto con los cronogramas actuales para la computación cuántica práctica.

El anuncio de Majorana 1 supone un avance sustancial que muestra el progreso de Microsoft a la hora de abordar los principales desafíos relacionados con las tasas de error, al tiempo que traza un camino hacia un futuro de millones de cúbits. La afirmación del gigante tecnológico de que la computación cuántica ya no está a décadas de distancia es una narrativa audaz y emocionante.

Las implicaciones de la computación cuántica son avances enormes y prometedores en sectores como la atención médica, la ciencia de los materiales y el modelado climático. Así como las tecnologías de inteligencia artificial como ChatGPT han abierto nuevos horizontes de posibilidades, el futuro de la computación cuántica sin duda tiene un potencial transformador similar para la sociedad en general.

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