Los ordenadores cuánticos pueden construirse de muchas maneras. Es posible que conozca las modalidades que compiten entre sí y que afirman ofrecer diversas ventajas sobre las demás en términos de calidad, escalabilidad, coste, etc. Sin embargo, cada vez es más evidente en todas ellas que las nuevas generaciones de tecnologías ópticas y fotónicas serán esenciales. Esto abre una interesante oportunidad en la cadena de suministro para muchos actores, antiguos y nuevos, del ecosistema de la fotónica. 

Las principales categorías de hardware de computación cuántica son superconductores, de iones atrapados, de átomos neutros, fotónicos, de silicio-espín, de diamante y topológicos. Aunque sus diseños específicos pueden ser increíblemente diferentes, gran parte del esquema fundamental sigue siendo el mismo. Además, la óptica y la fotónica desempeñan un papel importante en múltiples funciones básicas de los distintos enfoques de hardware. Esto incluye la lectura, la refrigeración y el control, la conectividad modular y la integración en centros de datos.

Detectores de fotones e imágenes para sistemas de lectura

Muchos métodos de lectura de la solución de un problema resuelto con un ordenador cuántico utilizan detectores de fotones o imágenes.

Irónicamente, dentro de la propia computación cuántica fotónica a menudo se necesita una detección de fotones individuales tan altamente sensible que se utilizan nanocables superconductores para lograrlo. En consecuencia, se están realizando esfuerzos para integrar los detectores de fotón único de nanocables superconductores (SNSPD) en los circuitos fotónicos integrados (PIC). De hecho, uno de los líderes en computación cuántica fotónica, PsiQuantum, ha revelado que su hoja de ruta incluye la investigación de SNSPD de temperaturas más elevadas basados en metales fabricables. En última instancia, esto representa una oportunidad más amplia para conseguir detectores de fotones individuales más precisos para fines de lectura en computación cuántica fotónica, lo que reduce el compromiso en cuanto a potencia de refrigeración y espacio al que se enfrenta actualmente este subsector. Estas innovaciones podrían resultar cruciales para desbloquear la propuesta de valor del subsector de la computación cuántica fotónica a gran escala tolerante a fallos, para el que sus «qubits calientes» pretenden ofrecer una complejidad de infraestructura reducida frente a sus competidores superconductores.

Por otro lado, la sencillez de utilizar métodos de imagen y microscopía establecidos para la lectura es una ventaja insignia de modalidades como las plataformas de diamante, átomo neutro e iones atrapados. Por ejemplo, Hamamatsu dispone de una gama de tubos fotomultiplicadores (PMT) y dispositivos de pares cargados multiplicadores de electrones (EM-CCD) disponibles comercialmente para las comunidades de iones atrapados y átomos neutros, respectivamente. Mientras tanto, la plataforma de diamante que persiguen actores como Quantum Brilliance XeedQ podría utilizar cámaras de semiconductores complementarios de óxido metálico (CMOS) aún más sencillas. La capacidad de estas modalidades para utilizar métodos de imagen ya establecidos para la lectura podría resultar una vez más esencial a la hora de ofrecer una ventaja en escalabilidad frente a sus competidores. Sobre todo porque, para algunas otras modalidades, el «reto de cableado» asociado a la lectura aumenta con el número de qubits, mientras que la obtención de imágenes de todo un conjunto de qubits a la vez es mucho más eficiente.

Control y refrigeración del láser

¿Sabía que los láseres también suponen una alternativa a la criogenia para refrigerar los qubits? Mientras que para muchos la imagen detrás de los láseres son haces de alta potencia que pueden asociarse al calor, la ignición, el corte o las comunicaciones, en el mundo de la computación cuántica son más conocidos por su capacidad para reducir átomos a estados de muy baja energía.

Los métodos de refrigeración por láser varían según los enfoques de la computación cuántica y las preferencias de las empresas, pero en última instancia atrapan o pinzan átomos o iones utilizando múltiples láseres que disparan por igual en direcciones opuestas. Una de las principales ventajas de este enfoque es que puede lograrse utilizando componentes ya establecidos y ser operable a temperatura ambiente. En general, la refrigeración por láser se considera mucho más eficiente en cuanto a energía, costes y recursos que los crioestatos necesarios para la supercomputación cuántica.

Los láseres dentro de los ordenadores cuánticos también son fuentes de control y manipulación de qubits, al igual que para la refrigeración. A este respecto, sin embargo, hay algunos indicios en la industria de que la eficacia del control eléctrico y digital podría ser superior en lo que se refiere a fidelidad del sistema (bajos errores) y escalabilidad. Un ejemplo de ello es la empresa británica Oxford Ionics, pionera en un método de control electrónico de qubits en un sistema de iones atrapados. Esta estrategia, junto con otras que abogan por la lectura digital como SEEQC, quizá refuerce el hecho de que, aunque en muchos casos el uso de la fotónica y la óptica ofrece una ventaja, también persiste el deseo de introducir la mayor cantidad posible de componentes de un ordenador cuántico en paquetes que puedan fabricarse en las fundiciones de semiconductores existentes.

Conexiones modulares e integración en centros de datos

A medida que los desarrolladores de ordenadores cuánticos siguen poniendo sus miras en la escalabilidad, se han intensificado los llamamientos para fabricar sistemas modulares repetibles que puedan conectarse entre sí. Los motivos de este enfoque son múltiples. Hasta cierto punto, se hace eco de cómo se ha logrado el éxito en la escalabilidad con la computación clásica, y también hay algunas pruebas de que está en línea con los enfoques de vanguardia en la corrección de errores.

Sin embargo, el reto del enfoque modular es que la creación de conexiones satisfactorias entre sistemas no es trivial. Ya es bastante difícil mantener el entrelazamiento entre qubits vecinos en un único chip, por no hablar de entre conjuntos de ellos distribuidos entre múltiples sistemas (ya sean bastidores o crioestatos).

Sin embargo, una vez más, la fotónica ofrece una respuesta. NuQuantum ha desarrollado una unidad de red cuántica (QNU) que utiliza la fotónica para distribuir el entrelazamiento entre varios procesadores. También acaba de anunciar una interfaz fotónica cuántica (QPI), una tecnología que, en última instancia, crea una interfaz entre materia y luz, qubits y fotones. Ya se han integrado y probado versiones prototipo de esta QPU en el sistema de vacío de átomos atrapados de Infleqtion.

Perspectivas del mercado

En general, más allá de la competencia entre empresas y modalidades de qubits -o de centrarse en la pugna por ganar la carrera cuántica- existe una oportunidad subyacente en todos los ámbitos de la óptica y la fotónica. Esto incluye las necesidades de lectura, refrigeración, control y conectividad presentes en casi todos los enfoques que se persiguen hoy en día.

Pero incluso más allá de los diseños de los ordenadores cuánticos de cada empresa, está la necesidad fundamental de que los ordenadores cuánticos se integren en las redes existentes de centros de datos, ordenadores clásicos y redes de comunicaciones. Los fotones ya son el medio de transmisión de datos preferido en todo el mundo y, para tener éxito comercial, los ordenadores cuánticos no pueden prescindir de algún tipo de fotónica.

El mercado de la computación cuántica se presenta como la posibilidad de acelerar exponencialmente el descubrimiento de fármacos, el desarrollo de la química de las baterías, la logística multivariable, la autonomía de los vehículos, la determinación precisa del precio de los activos y mucho más. Basándose en una amplia investigación primaria y secundaria, que incluye entrevistas con empresas y la asistencia a múltiples conferencias, este informe ofrece una evaluación en profundidad de las tecnologías de computación cuántica competidoras: superconductoras, de espín de silicio, fotónicas, de iones atrapados, de átomos neutros, topológicas, de defectos de diamante y de recocido. IDTechEx también presenta puntuaciones independientes del «nivel de preparación comercial cuántica» para evaluar cómo progresa la industria de la computación cuántica en comparación con la evolución de la industria de la computación clásica que la precedió. El mercado total direccionable para el uso de ordenadores cuánticos se convierte en ventas de hardware a lo largo del tiempo, teniendo en cuenta el avance de las capacidades y el modelo de negocio de acceso a la nube. Se prevé que el mercado de la computación cuántica supere los 10.000 millones de dólares en 2045, con una CAGR del 30%.

Autor: Dra. Tess Skyrme, Analista Principal de Tecnología de IDTechEx