Galicia é un dos líderes en tecnoloxías cuánticas en España, pero agora prepárase para dar un salto cualitativo. Este ano, o CESGA (Centro de Supercomputación de Galicia) porá en marcha, en colaboración co IGFAE (Instituto Galego de Física de Altas Enerxías) da Universidade de Santiago de Compostela, un novo laboratorio mixto de investigación: o Quantum Computing Lab. Especializado en física de partículas e nuclear, o laboratorio busca pór en marcha un simulador cuántico, unha máquina que non calcula con números como un ordenador convencional, senón que reproduce directamente procesos cuánticos reais para estudalos de maneira experimental. O investimento previsto para o laboratorio ascende a 2,2 millóns de euros, destinados a impulsar as liñas de investigación do IGFAE e fortalecer o ecosistema galego e europeo en ciencia e tecnoloxías cuánticas.
Pero, como funciona o simulador? Segundo explica Yassid Ayyad, investigador e coordinador do traballo do Quantum Computing Lab, utilízanse ións atrapados mediante unha trampa electrostática (trampa de Paul), que permite controlalos con campos eléctricos. Dentro desta trampa, os ións colócanse en fila formando unha cadea ordeada, con cada ión situado nun punto moi preciso, a nivel microscópico.
“Isto permítenos facer dúas cousas: manipular os ións con láseres e facer que interactúen entre si“, explica Ayyad. Precisamente aquí xorden as dúas operacións fundamentais da computación cuántica: superposición e entrelazamento. Ao manipular os ións e cambiar os seus estados, crean portas lóxicas cuánticas, a base tanto do simulador como do ordenador cuántico.
A novidade do laboratorio vai máis aló da simulación: o obxectivo é que funcione como un laboratorio de usuarios, que ofreza servizos baixo determinadas normas, onde un panel de expertos avalíe as propostas para levar a cabo os experimentos. “En España, por desgracia, non hai laboratorios deste tipo; este sería o único”, sinala o investigador do IGFAE.
Computación vs. Simulación
É importante diferenciar un computador cuántico dun simulador. O primeiro é dixital, funciona como un ordenador normal e utiliza portas lóxicas, realizando operacións paso a paso. Mentres, o simulador é analóxico: non usa portas dixitais, senón que emprega directamente un sistema físico real que se parece ao que se quere estudar, permitindo controlalo e medilo. Deste xeito, precísanse menos operacións que nun computador dixital. “Precisarías o triplo de operacións das dunha simulación analóxica”, explica Yassid Ayyad. O simulador evolucióna por si só, facéndoo máis eficiente, rápido e realista.
Un exemplo de computador cuántico é QMIO, do CESGA, que funciona coa mesma idea básica, pero en vez de usar ións emprega transmons, circuítos supercondutores fabricados por humanos. Segundo Ayyad, a diferencia clave é que todos os ións son idénticos, mentres que os transmons son máis difíciles de controlar e menos reproducibles. Isto fai que os ións sexan máis estables e manteñan mellor a coherencia cuántica —o tempo durante o cal o sistema pode “pensar” cuanticamente sen perder o estado—.
Ademais, o sistema de ións atrapados permite simular sistemas cuánticos reais. Por exemplo, para estudar o ferromagnetismo, en lugar de resolver ecuacións complexas, prepáranse os ións dunha forma determinada, deixas que o sistema evolucione e observas o que ocorre. Así, coa tecnoloxía de ións atrapados do IGFAE, pódese tanto realizar simulacións analóxicas como construír portas lóxicas dixitais, transformando o laboratorio nun ordenador cuántico completo.
Trampas de ións e átomos fríos
No Quantum Computing Lab apostaráse por dúas tecnoloxías cuánticas distintas: por unha banda, as trampas de ións e, por outra, os átomos fríos ou ultrafríos. Estes últimos non están ionizados e atrápanse mediante luz, que actúa como unha rede invisible que os mantén no seu sitio. Cada método ten as súas vantaxes: “Podemos ter moitos átomos atrapados e estudar sistemas moito máis grandes que na trampa de ións”, explica Yassid Ayyad. Isto permite realizar simulacións máis complexas, especialmente útiles para estudar bosóns e as súas interaccións, e fenómenos que resultan difíciles de abordar só con ións.
“Os dous sistemas son complementarios”, aclara Ayyad. Cada tecnoloxía encáixase nun contexto diferente: os átomos fríos son máis complexos de manipular, pero ofrecen máis liberdade para deseñar simulacións grandes e variadas; os ións atrapados, en cambio, son extremadamente estables, ideais para a computación cuántica e simulacións máis controladas.
Non obstante, estas tecnoloxías tamén teñen limitacións. Segundo o coordinador do laboratorio, a principal é que, para que un ión funcione ben a nivel cuántico, non pode interactuar con nada. Calquera partícula, gas ou impureza pode romper o seu estado ou mesmo facer que o ión escape da trampa. Para evitar isto, dende o IGFAE traballan con cámaras de ultra-alto baleiro e láseres precisos para arrefriar os ións e manipulalos un por un.
Calquera perturbación afecta
Os ións atrapados son moi sensibles, polo que calquera perturbación externa pode alterar o seu estado. Este será un dos retos principais do Quantum Computing Lab. Por exemplo, as partículas que atravesan o laboratorio poden afectar tanto aos ións como aos supercondutores; por iso, o laboratorio situarase entre detectores de raios cósmicos para correlacionar os erros co paso destas partículas.
“As variacións da temperatura poden modificar mecanicamente as dimensións da trampa”, explica Yassid Ayyad. Os ións están separados por apenas 2 micrómetros, polo que un cambio mínimo na trampa fai que os láseres deixen de apuntar correctamente e altere toda a disposición do sistema.
Ademais, existen moitas outras perturbacións que afectan non só aos ións, senón ao laboratorio en xeral, como o ruído electrónico ou as condicións ambientais de humidade.
Máis aló da ciencia básica
“O laboratorio estará orientado a simulacións de física nuclear, pero todo pódese extrapolar“, sinala o investigador. Entre as opcións, poderíanse estudar proteínas para descubrir novos medicamentos ou optimizar procesos biolóxicos. Os ións atrapados tamén poden funcionar como sensores extremadamente precisos, capaces de medir constantes físicas universais. Un dos últimos avances é a construción de reloxos atómicos, que aproveitan transicións de ións para ofrecer unha precisión moito maior que os reloxos convencionais.
Ademais de simular fenómenos cuánticos, o laboratorio permitirá computación cuántica dixital, dando acceso a usuarios remotos para executar as súas propias simulacións. “Outro instituto en Francia pode solicitar acceso ao laboratorio e colaborar connosco nun problema concreto”, explica o investigador. Así, poderán plantexar unha cuestión e o laboratorio do IGFAE empregará trampas de ións para axudar a resolvela. Este proxecto forma parte dunha iniciativa europea, aínda en proceso de financiamento, co obxectivo de expandir o laboratorio, aumentar as súas capacidades e fomentar a colaboración virtual entre investigadores.
Visión a futuro: un laboratorio de usuarios
Toda esta iniciativa xorde da colaboración co CESGA, e segundo Yassid Ayyad, o impacto principal será utilizar o laboratorio como ordenador cuántico dixital. Ademais, o investigador sinala que “as infraestruturas do IGFAE xa contan con laboratorios en desenvolvemento para o Quantum Computing Lab“, como cámaras de baleiro e detectores para controlar ións, así como sistemas para ler a información das interaccións, normalmente a través da luminiscencia.
“Para min, o soño é ter un laboratorio de usuarios”. Estas son as palabras de Ayyad, polo que a idea é crear un modelo de laboratorio como o do CERN: alguén propón un experimento, un panel de expertos avalía a súa viabilidade científica e técnica, e finalmente execútase usando o laboratorio cuántico. Segundo o investigador do IGFAE, o éxito mídese polo número de usuarios que teñan acceso aberto, ademais de materializar os proxectos en publicacións de alto nivel e posibles transferencias tecnolóxicas. “Isto é o que enriquece este tipo de laboratorio e, sobre todo, aos institutos de investigación”, conclúe Yassid Ayyad.
