Microsoft presenta Majorana 1: primer chip cuántico con arquitectura de núcleo topológico

Microsoft ha marcado hoy un hito histórico en el campo de la computación cuántica con la presentación de Majorana 1, el primer chip cuántico del mundo que utiliza una arquitectura de núcleo topológico. Este avance promete acelerar significativamente el desarrollo de computadoras cuánticas capaces de resolver problemas complejos a escala industrial, reduciendo el horizonte temporal de décadas a años.

Un nuevo tipo de material para una nueva era de computación

En el corazón de este logro se encuentra una clase innovadora de materiales llamados "topoconductores". Estos materiales permiten crear superconductividad topológica, un estado de la materia que hasta ahora solo existía en teoría. El avance surge de las innovaciones de Microsoft en el diseño y fabricación de dispositivos que combinan arseniuro de indio (un semiconductor) y aluminio (un superconductor).

"Cuando estos dispositivos se enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto y se sintonizan con campos magnéticos, forman nanohilos superconductores topológicos con Modos de Cero de Majorana (MZMs) en los extremos de los cables", explica el equipo de Microsoft Quantum en su anuncio.

De la teoría a la realidad: La arquitectura de Tetrón

La base del diseño es el "tetrón", un dispositivo qubit que utiliza cuatro Modos de Cero de Majorana (MZMs). El tetrón se forma a través de dos cables topológicos paralelos conectados por un cable superconductor trivial, creando una estructura en forma de 'H'. Los MZMs se localizan en los cuatro extremos del dispositivo, y esta configuración permite una conectividad bidimensional crucial para diseños multi-qubit.

Los cables "horizontales" del tetrón son tiras superconductoras de 3-5 μm de largo, diseñadas para minimizar el acoplamiento residual entre los MZMs mientras mantienen suficiente energía de carga. Bajo condiciones normales de operación, se aplica un campo magnético de varios Tesla en la dirección "horizontal", es decir, a lo largo de los cables topológicos.

La separación entre los cables horizontales es de aproximadamente 1 μm, dictada por los requisitos de los puntos cuánticos. Esta arquitectura representa una evolución significativa respecto al diseño lineal de tetrón descrito en investigaciones anteriores.

"En los superconductores convencionales, los electrones se unen en pares de Cooper y se mueven sin resistencia. Cualquier electrón sin pareja puede ser detectado porque su presencia requiere energía extra", explica el equipo. "Nuestros topoconductores son diferentes: aquí, un electrón sin pareja se comparte entre un par de MZMs, haciéndolo invisible para el entorno. Esta propiedad única protege la información cuántica".

Sistema de medición y control cuántico

El sistema de medición representa un avance significativo en la precisión del control cuántico. Los dispositivos incorporan puntos cuánticos adyacentes a cada extremo de los cables horizontales, más un punto cuántico más largo paralelo al cable inferior que permite conexiones entre los lados izquierdo y derecho del dispositivo.

El proceso de medición utiliza dos enfoques principales:

1. El enfoque "basado en desintonización" que desacopla un punto cuántico del tetrón ajustando su potencial químico para que caiga en un valle de Coulomb.
2. El enfoque "basado en cortador" que utiliza una puerta cortadora adicional para abrir o cerrar una unión, desacoplando efectivamente un punto cuántico.

Las mediciones iniciales han demostrado una probabilidad de error de solo 1%, con claras vías identificadas para reducir aún más este valor. La estabilidad del sistema es notable: la energía externa (como la radiación electromagnética) solo rompe los pares de Cooper, creando electrones sin pareja que pueden cambiar el estado del qubit, aproximadamente una vez por milisegundo.

Protección topológica y tasas de error

El sistema suprime los errores exponencialmente en tres cantidades adimensionales críticas:

• La relación entre la brecha topológica y la temperatura
• La relación entre la longitud del dispositivo y la longitud de coherencia superconductora topológica
• La relación señal-ruido del sistema de medición

Hoja de ruta hacia la computación cuántica tolerante a fallas

El equipo de Microsoft ha establecido una hoja de ruta sistemática hacia la computación cuántica tolerante a fallas con tetrones, que abarca cuatro generaciones de dispositivos:

1. Un dispositivo de qubit único que permite un protocolo de evaluación comparativa basado en mediciones
2. Un dispositivo de dos qubits que utiliza trenzado basado en mediciones para realizar operaciones Clifford de un solo qubit
3. Una matriz de 4×2 tetrones que puede demostrar detección de errores cuánticos
4. Una matriz de tetrones que soporta demostraciones de cirugía de retículo en dos qubits lógicos

El diseño actual ya incorpora la matriz 27×13 de tetrones necesaria para implementar dos qubits lógicos con distancia de falla 7. Los códigos de corrección de errores cuánticos personalizados para estos qubits reducen la sobrecarga aproximadamente diez veces en comparación con el enfoque anterior más avanzado.

Avances en la corrección de errores

Los dispositivos implementan códigos Floquet de Hastings-Haah y códigos de superficie basados en mediciones por pares, que son particularmente adecuados para la plataforma de tetrón porque:

• Se basan enteramente en mediciones de uno y dos cuerpos para extraer síndromes de error
• Reducen significativamente la sobrecarga de recursos físicos
• Permiten operaciones más rápidas debido a su naturaleza basada en mediciones

"Una computadora cuántica de un millón de qubits no es solo un hito: es una puerta de entrada para resolver algunos de los problemas más difíciles del mundo", señala el equipo. Este nivel de potencia computacional podría conducir a innovaciones como materiales autorreparables que reparen grietas en puentes, agricultura sostenible y descubrimiento de productos químicos más seguros.

Impacto y perspectivas futuras

La tecnología fundamental está probada y la arquitectura es escalable. El nuevo acuerdo de Microsoft con DARPA muestra un compromiso con el progreso implacable hacia su objetivo: construir una máquina que pueda impulsar el descubrimiento científico y resolver problemas que importan.

Este avance marca un momento decisivo en la computación cuántica, señalando una transición de la exploración científica a la innovación tecnológica que podría transformar industrias enteras y resolver algunos de los desafíos más apremiantes de la humanidad.

Para profundizar más

Para aquellos interesados en explorar los detalles técnicos de este avance revolucionario, el equipo de Microsoft ha publicado sus hallazgos en dos documentos fundamentales:

• Un artículo detallado en Nature que explica el desarrollo del qubit topológico y la demostración experimental
• Un paper técnico disponible en arXiv que detalla la hoja de ruta hacia la computación cuántica tolerante a fallas usando matrices de qubits topológicos