Un nuevo algoritmo cuántico resuelve un problema imposible para los superordenadores

Un equipo de investigadores ha desarrollado un nuevo algoritmo cuántico que resuelve problemas fuera del alcance incluso de los superordenadores más potentes. El avance permite simular materiales cuánticos de enorme complejidad y allana el camino hacia ordenadores cuánticos reales y plenamente funcionales.

Un avance en la simulación de materiales

Los científicos han creado un algoritmo cuántico capaz de abordar problemas que a los superordenadores tradicionales les llevarían años de cálculo ininterrumpido. Se trata de la simulación de cuasicristales, materiales exóticos con una estructura inusual que no se rige por las leyes habituales de la cristalografía.

Los átomos de un cuasicristal siguen un orden regular, pero no forman una red que se repita. Eso hace que su análisis sea extraordinariamente complejo. Imagine un muro de ladrillos que parece ordenado, pero cuyo patrón nunca llega a repetirse por completo: esa es, de forma simplificada, la idea de un cuasicristal.

Estudiar estos materiales exige analizar miles de millones de estados cuánticos a la vez. El nuevo algoritmo procesa esa información en segundos y abre la puerta a investigaciones que antes parecían imposibles. Más que una simple aceleración de los cálculos, supone un salto cualitativo en la capacidad de los científicos para trabajar con sistemas cuánticos.

El camino hacia nuevos dispositivos cuánticos

Los resultados ya se están aplicando al diseño de cúbits topológicos, un tipo especial de cúbit con protección natural frente a errores gracias a sus propiedades físicas. Los cúbits topológicos se consideran una de las vías más prometedoras para construir ordenadores cuánticos estables y operativos.

El problema de los cúbits tradicionales es su extrema sensibilidad a las interferencias externas: incluso un cambio microscópico de temperatura o del campo electromagnético puede provocar un error. Los cúbits topológicos esquivan este problema porque codifican la información en las propiedades topológicas del material, que no son tan vulnerables a las perturbaciones.

El algoritmo ayuda a los científicos a identificar qué materiales son los más adecuados para crear estos cúbits y a diseñar dispositivos con las propiedades necesarias:

• Simulación de cuasicristales en tiempo real
• Diseño de cúbits con protección topológica
• Búsqueda de materiales para superconductores de alta temperatura
• Desarrollo de electrónica ultraeficiente de nueva generación
• Creación de materiales para sensores cuánticos y metrología

La magnitud del problema

La dificultad de simular cuasicristales radica en que sus propiedades cuánticas no se pueden predecir con aproximaciones ni fórmulas sencillas. Hacen falta cálculos completos que tengan en cuenta la interacción de un número enorme de partículas: literalmente, miles de millones de electrones que interactúan entre sí según complejas leyes de la mecánica cuántica.

Los ordenadores clásicos resuelven esta tarea de forma muy ineficiente, porque la complejidad computacional crece exponencialmente con el tamaño del sistema. En la práctica, añadir unos pocos átomos más puede multiplicar el tiempo de cálculo por millones.

El algoritmo cuántico sortea este obstáculo aprovechando los principios de la mecánica cuántica para la propia simulación. En lugar de simular un sistema cuántico en un ordenador clásico, trabaja directamente con su descripción cuántica. Así puede abordar problemas que, por principio, quedan fuera de las capacidades de la computación tradicional.

Qué significa

El desarrollo supone un paso importante en la aplicación práctica de la computación cuántica. Hasta ahora, los ordenadores cuánticos eran sobre todo objetos de investigación teórica; ahora empiezan a ofrecer resultados concretos en ciencia de materiales e ingeniería.

Si la investigación logra escalarse con éxito e integrarse en las herramientas habituales de los especialistas en materiales, podría adelantar la llegada de ordenadores cuánticos plenamente funcionales en una década o incluso más. A su vez, esos ordenadores cuánticos podrán resolver numerosos problemas de criptografía, química, optimización e inteligencia artificial que hoy siguen fuera de nuestro alcance.