La búsqueda para construir un ordenador cuántico potente es uno de los grandes retos de la física del siglo XXI. Y a pesar de que los obstáculos no son pocos, los físicos y físicas los están superando uno a uno. De forma gradual, han aprendido a controlar partículas cuánticas con la precisión necesaria como para desarrollar algoritmos cuánticos a pequeña escala con tan solo unos pocos qubits.

Sin embargo, el gran reto es escalarlos y combinar esas técnicas de modo que puedan soportar una gran cantidad de qubits para poder realizar operaciones cuánticas potentes. Ahora, Shantanu Debnath y otros compañeros de la Universidad de Maryland en College Park (Estados Unidos), dan a conocer un módulo de computación cuántica de cinco qubits que puede ser programado para ejecutar cualquier algoritmo cuántico.

Pero lo más importante, aseguran, es que este módulo puede vincularse a otros para realizar cálculos cuánticos potentes que involucren un mayor número de qubits. "Este pequeño ordenador cuántico puede escalarse a un mayor número de qubits con un solo módulo, y puede expandirse más allá a través de conectar muchos módulos" explican Debnath y el resto del equipo.

Los físicos han sido capaces de ejecutar algoritmos cuánticos en ordenadores desde hace casi 20 años; las primeras máquinas de dos y tres qubits empezaron a funcionar al final de la década de 1990. Pero desde entonces, los avances se atascaron debido a la extrema dificultad que conlleva conectar grandes cantidades de partículas cuánticas sin alterar su estado.

(Esto pone en duda el controvertido trabajo de la compañía canadiense D-Wave, que afirma haber construido un ordenador cuántico capaz de soportar más de 1.000 qubits. La mayoría de los físicos son profundamente escépticos al respecto).

El nuevo dispositivo de Debnath y su equipo se basa en el trabajo considerable que se ha realizado durante las dos últimas décadas sobre ordenadores cuánticos con iones atrapados. Consiste en cuatro iones de iterbio alineados y atrapados en un campo electromagnético. El estado electrónico de cada ion se puede controlar agitándolo con un láser. Esto permite que cada ion almacene un bit de información cuántica.

Al estar cargados, los iones ejercen fuerza los unos sobre los otros, y esto hace que vibren a frecuencias que pueden ser controladas y manipuladas con precisión. Estas vibraciones son cuánticas por naturaleza y permiten que los iones se entrelacen. Así, los bits cuánticos que contienen, pueden interactuar.

A través de controlar estas interacciones, los físicos pueden llevar a cabo operaciones cuánticas lógicas. Y los algoritmos cuánticos son simplemente una serie de estas operaciones lógicas, una tras otra.

La habilidad de llevar a cabo una serie de operaciones arbitrarias es importante - solo algunos ordenadores cuánticos son capaces de hacerlo -. De hecho, la mayoría han sido diseñados para desarrollar un algoritmo cuántico específico.

Eso es lo que Debnath y compañía se han propuesto cambiar. Los investigadores han construido un módulo autónomo capaz de abordar cada ion con un láser y extraer los resultados de la interacción entre qubits.

Y aparentemente funciona bien. El equipo ha probado el dispositivo a través de la implementación de diferentes algoritmos cuánticos. "A modo de ejemplo, implementamos el Deutsch-Jozsa, Bernstein-Vazirani y el transformador de algoritmos cuánticos Fourier", explica el equipo. "Los algoritmos que presentamos aquí ilustran la flexibilidad computacional proporcionada por la arquitectura cuántica de iones atrapados".

Eso es impresionante, pero los investigadores aseguran que puede llegar aún más lejos. En particular, dicen que su módulo es escalable, que varios módulos de qubits pueden conectarse entre sí para formar un computador cuántico más potente.

Pero eso es más fácil decirlo que hacerlo, y el equipo aún no lo ha demostrado. Así que el siguiente paso es obvio. Lo que Debnath y compañía necesitan hacer es mostrar cómo es posible conectar estos módulos y mejorar el alcance de la computación.

Eso sería un gran paso adelante que merecería la pena pregonar desde las azoteas. Si lo logran.

Ref: arxiv.org/abs/1603.04512 : Demonstration of a Programmable Quantum Computer Module