Majorana 1

Microsoft ha dado un gran paso en la computación cuántica con su nuevo procesador, llamado Majorana 1, anunciado el 19 de febrero de 2025. Este desarrollo es el resultado de casi 20 años de investigación y promete acelerar significativamente la llegada de ordenadores cuánticos prácticos y escalables, pasando de un horizonte de décadas a solo unos pocos años. Aquí te cuento lo más relevante:

¿Qué es el Majorana 1?

El Majorana 1 es el primer procesador cuántico de Microsoft basado en cúbits topológicos, una tecnología innovadora que utiliza partículas de Majorana (nombradas en honor al físico italiano Ettore Majorana). Estas partículas son especiales porque son sus propias antipartículas y tienen propiedades cuánticas únicas que las hacen ideales para crear cúbits más estables y resistentes a errores, un gran desafío en la computación cuántica.

¿Cómo funciona?

A diferencia de los procesadores tradicionales que usan electrones y bits (0 o 1), el Majorana 1 emplea un nuevo estado de la materia denominado superconductividad topológica. Este estado se logra combinando materiales como el arseniuro de indio (un semiconductor) y el aluminio (un superconductor), enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273,15 °C) y sometidos a campos magnéticos. Esto crea nanocables superconductores topológicos con modos cero de Majorana en sus extremos, que sirven como base para los cúbits.

• Ventajas de los cúbits topológicos:

  • Mayor estabilidad: Son menos sensibles al "ruido" ambiental (calor, radiación, etc.), lo que reduce la pérdida de información por decoherencia.

  • Menos corrección de errores: Los sistemas actuales necesitan complejos mecanismos para corregir errores; los cúbits topológicos los minimizan desde el hardware.

  • Escalabilidad: Microsoft ha integrado 8 cúbits en este chip, que cabe en la palma de la mano, y afirma que su diseño permite escalar hasta un millón de cúbits en un solo chip.

¿Por qué es importante?

La computación cuántica actual está limitada por la fragilidad de los cúbits y la dificultad de escalar a gran cantidad sin errores. El Majorana 1 aborda estos problemas con una arquitectura que:

• Permite control digital de los cúbits (con pulsos eléctricos simples, como encender/apagar una luz), unlike otros sistemas que requieren ajustes analógicos complejos.

• Podría hacer realidad aplicaciones prácticas como simulación de moléculas para nuevos fármacos, modelos climáticos avanzados o criptografía más segura en un plazo mucho más corto.

Contexto y próximos pasos

• Reconocimiento: La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE.UU. (DARPA) ha seleccionado a Microsoft para la fase final de su programa US2QC, lo que indica confianza en esta tecnología para crear un ordenador cuántico tolerante a fallos.

• Integración: El chip se integra con Azure Quantum, combinando computación cuántica, IA y computación clásica de alto rendimiento, lo que lo hace accesible para investigadores y empresas.

• Escépticos: Aunque los resultados se publicaron en Nature, algunos revisores señalan que aún faltan pruebas definitivas de que los modos cero de Majorana estén plenamente presentes, pero el enfoque es prometedor.

¿Qué significa para el futuro?

Microsoft asegura que este avance no solo acelerará el desarrollo de ordenadores cuánticos comerciales, sino que también podría superar a competidores como Google (con su chip Willow) o IBM. Si logran escalar a un millón de cúbits, podríamos ver avances revolucionarios en campos como la medicina, la sostenibilidad y la ciberseguridad en menos de una década.

1. Fundamentos del Majorana 1: Cúbits Topológicos

El Majorana 1 se basa en cúbits topológicos, un enfoque que Microsoft lleva explorando desde principios de los 2000 bajo el liderazgo de su equipo de investigación cuántica, incluida la Microsoft Station Q. Este tipo de cúbit utiliza fermiones de Majorana, partículas exóticas que son sus propias antipartículas y que emergen en sistemas superconductores topológicos.

• ¿Qué son los fermiones de Majorana?: Predichos por Ettore Majorana en 1937, estos no son partículas fundamentales como los electrones, sino estados cuasiparticulares que aparecen en ciertos materiales bajo condiciones extremas. En el contexto cuántico, se manifiestan como modos cero de Majorana (Majorana Zero Modes, MZM), que tienen la propiedad única de ser no locales: su información está distribuida en el sistema, lo que los hace resistentes a perturbaciones locales.

• Materiales y estructura:

  • El procesador usa nanocables hechos de arseniuro de indio (InAs), un semiconductor con alta movilidad de electrones, recubierto con una capa de aluminio (Al), un superconductor.

  • Estos nanocables se fabrican mediante epitaxia por haz molecular, una técnica que permite crecer capas atómicas con precisión extrema.

  • La longitud típica de los nanocables está en el rango de micrómetros (1-10 μm), con diámetros de decenas de nanómetros.

• Condiciones:

  • Se enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto (unos 10-20 milikelvins, usando un refrigerador de dilución).

  • Se aplican campos magnéticos de alrededor de 1 tesla para inducir el estado topológico.

  • Esto crea una transición de fase en el material, generando los MZM en los extremos de los nanocables.

• Topología: La "topología" aquí se refiere a propiedades matemáticas del sistema que permanecen invariantes bajo deformaciones continuas. Los MZM están protegidos por esta topología, lo que reduce la decoherencia (pérdida de estado cuántico por interacción con el entorno).

2. Diseño del Procesador

El Majorana 1 es un chip físico que integra 8 cúbits topológicos en una plataforma compacta, descrita como "del tamaño de la palma de la mano". Aquí los detalles técnicos:

• Arquitectura:

  • Cada cúbit está asociado a un par de MZM en los extremos de un nanocable.

  • Los nanocables están dispuestos en una matriz bidimensional, conectados mediante puertas cuánticas controladas eléctricamente (no magnéticas ni ópticas como en otros sistemas).

  • Incluye un sistema criogénico CMOS (Cryo-CMOS) para el control y la lectura de los cúbits, operando a temperaturas ultrabajas.

• Control Digital:

  • A diferencia de otros procesadores cuánticos (como los de IBM o Google, que usan pulsos de microondas analógicos), el Majorana 1 emplea pulsos eléctricos digitales simples. Esto se logra gracias a la estabilidad inherente de los MZM, que no requieren ajustes finos constantes.

  • Esto simplifica el hardware de control y reduce el consumo energético.

• Corrección de errores:

  • Los sistemas cuánticos tradicionales necesitan ratios altos de cúbits físicos por cúbit lógico (hasta 1000:1) para corregir errores. Los cúbits topológicos del Majorana 1 tienen una tasa de error intrínsecamente baja (estimada en 10⁻⁶ por operación, frente a 10⁻² en sistemas superconductores convencionales), lo que reduce esta necesidad a un factor de 10:1 o menos.

• Escalabilidad:

  • Microsoft afirma que el diseño permite integrar hasta un millón de cúbits en un solo chip, usando técnicas de fabricación similares a las de los semiconductores clásicos (litografía avanzada).

  • Esto se logra apilando nanocables en capas tridimensionales, algo inédito en otros enfoques cuánticos.

3. Experimentos y Resultados

El avance se detalla en un artículo publicado en Nature el 19 de febrero de 2025, tras años de especulación y pruebas:

• Pruebas clave:

  • En 2022, Microsoft retractó afirmaciones iniciales sobre MZM debido a datos cuestionables, pero desde entonces refinaron su enfoque.

  • En el Majorana 1, midieron la brecha topológica (la diferencia de energía que protege los MZM) en un rango de 20-30 μeV (microelectrón-voltios), suficiente para confirmar la presencia de estados topológicos.

  • Usaron microscopía de efecto túnel (STM) para visualizar los MZM en los extremos de los nanocables, mostrando picos de conductancia característicos.

• Entrelazamiento:

  • Lograron entrelazar los 8 cúbits en configuraciones básicas (como estados de Bell), demostrando operaciones cuánticas coherentes.

  • La fidelidad de las puertas lógicas cuánticas fue de aproximadamente 99,9%, un hito para un sistema topológico.

• Limitaciones señaladas:

  • Algunos revisores de Nature cuestionan si todos los modos observados son realmente MZM puros o si incluyen contribuciones de estados no topológicos. Microsoft planea más experimentos con nanocables más largos para aclararlo.

4. Comparación con Competidores

• Google (Willow): Anunciado en diciembre 2024, Willow tiene 105 cúbits superconductores, pero enfrenta desafíos de decoherencia y requiere corrección de errores intensiva.

• IBM (Quantum Heron): Con 156 cúbits, IBM avanza en sistemas modulares, pero su estabilidad sigue siendo menor que la de los cúbits topológicos.

• Ventaja de Microsoft: El Majorana 1 prioriza estabilidad y escalabilidad sobre la cantidad inicial de cúbits, apuntando a un sistema tolerante a fallos más rápido.

5. Implicaciones Técnicas y Aplicaciones

• Rendimiento: Aunque tiene solo 8 cúbits ahora, su baja tasa de error y control digital lo hacen competitivo para simulaciones pequeñas (ej. moléculas simples como H₂).

• Escala futura: Con un millón de cúbits, podría resolver problemas como:

  • Simulación de proteínas complejas (clave para fármacos).

  • Optimización de redes energéticas globales.

  • Factorización de números grandes, amenazando criptografía como RSA.

• Integración con Azure Quantum: Combina IA, computación clásica y cuántica, permitiendo a desarrolladores probar algoritmos híbridos (ej. Shor o Grover) desde la nube.

6. Contexto y Futuro

• DARPA y US2QC: Microsoft está en la fase final del programa Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing, con financiación para construir un prototipo tolerante a fallos en los próximos años.

• Cronograma: Planean un sistema con cientos de cúbits para 2027 y miles para 2030, con el millón de cúbits como meta a largo plazo.

• Desafíos pendientes:

  • Fabricación masiva de nanocables con consistencia.

  • Reducir aún más las impurezas en los materiales.

Opinión Final

El Majorana 1 no es solo un procesador, es una prueba de concepto que podría redefinir la computación cuántica. Su enfoque topológico, respaldado por dos décadas de investigación teórica y experimental, lo posiciona muy seriamente. 

Si Microsoft cumple sus promesas, podríamos estar ante el inicio de una era donde los ordenadores cuánticos sean tan comunes como los clásicos.