Durante décadas, los ordenadores clásicos han sido la base de toda la innovación tecnológica. Sin embargo, la física cuántica está empezando a redefinir los cimientos mismos de cómo procesamos la información. La computación cuántica ya no es una curiosidad teórica confinada a laboratorios universitarios: se está convirtiendo en una disciplina experimental con avances tangibles en control de qubits, corrección de errores y materiales. Al mismo tiempo, otros materiales avanzados como el grafeno, que hace más de una década se presentaba como el sustituto del silicio, aún buscan su papel real en esta nueva frontera tecnológica. Este artículo explora la dimensión científica y física de la computación cuántica, los retos que aún impiden su expansión comercial y cómo materiales como el grafeno podrían influir en su desarrollo futuro.

El salto de la teoría a la realidad cuántica

La idea de un ordenador cuántico no es nueva: fue propuesta por Richard Feynman en los años ochenta, cuando imaginó una máquina capaz de simular sistemas físicos imposibles de modelar con la computación clásica. Hoy, esa visión empieza a materializarse gracias a los avances en control de qubits, las unidades básicas de información cuántica.

A diferencia del bit clásico, que puede ser 0 o 1, un qubit puede estar en ambos estados simultáneamente gracias a la superposición cuántica. Esta propiedad, combinada con el entrelazamiento cuántico, permite realizar cálculos paralelos de una manera que supera exponencialmente la capacidad de los ordenadores tradicionales.

Los sistemas actuales, como el IBM Quantum Eagle con 127 qubits o el Google Sycamore con 53 qubits, son ejemplos de lo que se conoce como procesadores cuánticos de propósito limitado. A pesar de sus capacidades, todavía están lejos de la “ventaja cuántica” plena, ese punto en el que una máquina cuántica supera de forma incuestionable a los superordenadores clásicos en una tarea práctica y económicamente útil.

Según un artículo reciente de Fast Company , los expertos comparan este momento con el de la inteligencia artificial en 2010: una tecnología madura en laboratorio pero aún en busca de una aplicación masiva.

Cómo funciona realmente un ordenador cuántico

A nivel físico, un ordenador cuántico no se parece en nada a un PC convencional. Los qubits se construyen a partir de átomos individuales, iones atrapados o circuitos superconductores, que deben mantenerse en estados de coherencia extremadamente frágiles. Cualquier perturbación térmica o electromagnética puede destruir esa coherencia y colapsar la superposición.

Por eso, los sistemas actuales operan a temperaturas cercanas al cero absoluto (−273,15 °C), utilizando refrigeradores de dilución de helio líquido que mantienen el entorno estable. En esas condiciones, los circuitos superconductores fabricados con niobio y aluminio permiten que los electrones fluyan sin resistencia eléctrica, formando el soporte de los qubits.

El control y la lectura de estos qubits se realiza mediante microondas que alteran los estados de energía cuántica del sistema. Cada operación requiere una sincronización de precisión nanosegundos. En términos técnicos, el tiempo de coherencia —el intervalo durante el cual un qubit mantiene su estado cuántico— suele oscilar entre 100 microsegundos y 1 milisegundo, dependiendo del tipo de arquitectura.

Un desafío crítico sigue siendo la corrección de errores cuánticos. Los qubits son tan sensibles que un solo fallo puede inutilizar un cálculo completo. Por ello, los ingenieros agrupan decenas de qubits físicos para formar un “qubit lógico” estable, lo que multiplica enormemente la cantidad de hardware necesario.

Materiales al límite: del niobio al grafeno

El progreso de la computación cuántica está íntimamente ligado a los materiales. Las limitaciones actuales no son solo de software o algoritmos, sino de física de materiales. En este contexto, el grafeno sigue siendo una promesa latente.

Descubierto en 2004 por Andre Geim y Konstantin Novoselov, el grafeno es una lámina bidimensional de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal. Su espesor de un solo átomo y su movilidad electrónica —más de 200.000 cm²/V·s— lo convierten en un candidato ideal para desarrollar transistores ultrarrápidos, detectores de fotones cuánticos o superconductores híbridos.

En teoría, integrar grafeno en circuitos cuánticos permitiría mejorar la estabilidad y reducir las pérdidas de decoherencia. Sin embargo, su impacto industrial real aún no se ha materializado. A pesar de la inversión acumulada superior a 2.000 millones de euros en Europa a través del Graphene Flagship Project, su comercialización sigue siendo testimonial.

El problema radica en la dificultad de fabricar grafeno de alta pureza y gran superficie sin defectos estructurales, ya que incluso una impureza por millón de átomos puede alterar sus propiedades cuánticas. No obstante, el interés persiste: grupos del MIT, del Max Planck Institute for Solid State Research y de la Universidad de Manchester están explorando su uso como interfaz entre qubits superconductores y fotones, una posible vía hacia la computación cuántica fotónica.

Qubits, iones y fotones: tres caminos hacia la computación cuántica

Actualmente coexisten varias arquitecturas experimentales. La más extendida es la de qubits superconductores, impulsada por IBM, Google y Rigetti. Estos dispositivos son escalables, pero requieren condiciones criogénicas extremas.

Otra línea prometedora es la de los qubits de iones atrapados, usada por IonQ y Quantinuum, que manipulan átomos cargados mediante campos electromagnéticos. Estos sistemas ofrecen tiempos de coherencia superiores, en el rango de decenas de segundos, aunque su escalado técnico es más complejo.

La tercera vía es la computación cuántica fotónica, desarrollada por compañías como PsiQuantum o Xanadu, donde los qubits están codificados en estados de luz. Este enfoque evita los problemas de temperatura, pero exige una precisión óptica extremadamente alta.

El desafío común en todas ellas es alcanzar el umbral de un millón de qubits lógicos necesarios para ejecutar algoritmos cuánticos generalistas, algo que, según las proyecciones de IBM, podría lograrse en la década de 2030.

La frontera científica: manipular la materia en el límite cuántico

Los avances recientes apuntan hacia una mayor comprensión de la física cuántica macroscópica. En 2024, investigadores de la Universidad de Chicago lograron entrelazar dos qubits superconductores a una distancia de 1,2 metros, estableciendo un récord en coherencia mantenida fuera del chip. Este logro sugiere que los futuros ordenadores cuánticos podrían interconectarse, formando una red cuántica distribuida similar a una Internet cuántica.

También se han desarrollado técnicas de simulación cuántica que permiten modelar fenómenos de física de partículas o reacciones químicas complejas con un número limitado de qubits. Por ejemplo, un estudio publicado en Nature Physics demostró la posibilidad de simular interacciones electrónicas en moléculas de hidrógeno utilizando solo 20 qubits físicos.

Desde el punto de vista teórico, se están explorando materiales exóticos como los superconductores topológicos y los aislantes de espín, que podrían permitir qubits más estables mediante la protección de sus estados por simetrías cuánticas. Estos desarrollos se sitúan en la frontera de la física del estado sólido y la mecánica cuántica aplicada.

El papel pendiente del grafeno en la era cuántica

Mientras la computación cuántica avanza hacia dispositivos funcionales, el grafeno continúa en una fase de promesa más que de aplicación. Su combinación de alta conductividad, flexibilidad y transparencia lo convierte en un material potencialmente útil para interconectar procesadores cuánticos o fabricar sensores de estado cuántico.

No obstante, el mercado no ha visto todavía un retorno tangible. El principal cuello de botella sigue siendo la fabricación reproducible a escala industrial. Aunque existen métodos como la exfoliación química o el crecimiento por deposición de vapor químico (CVD), ninguno logra un equilibrio óptimo entre pureza y coste.

Algunos prototipos experimentales, como los transistores cuánticos híbridos de grafeno y niobio, han mostrado un rendimiento hasta cuatro veces superior en relación señal/ruido frente a los convencionales. Sin embargo, estas pruebas siguen confinadas al entorno de laboratorio.

Aun así, el material no ha perdido su atractivo. Su combinación con sistemas cuánticos fotónicos podría ser el impulso que necesitaba para entrar en el panorama económico, especialmente en aplicaciones de comunicación cuántica y detección ultrafina.

Reflexiones finales: física, promesas y pragmatismo

La computación cuántica se encuentra en una fase crucial. La ciencia ya ha demostrado su viabilidad física, pero la ingeniería aún debe convertirla en una herramienta práctica y económicamente sostenible. El paralelismo con el desarrollo del grafeno es evidente: ambos campos han generado enormes expectativas, pero su impacto económico todavía no se ha consolidado.

Lo que distingue a la computación cuántica es su base física profundamente comprobada. Cada avance se apoya en una comprensión más detallada del comportamiento de la materia a escala atómica. Y aunque los dispositivos actuales apenas alcanzan unos pocos cientos de qubits, el progreso en materiales, corrección de errores y algoritmos sugiere que el salto hacia la utilidad práctica está cada vez más cerca.

En última instancia, tanto la computación cuántica como el grafeno representan la intersección entre la física fundamental y la ingeniería aplicada. Su éxito no dependerá solo de descubrimientos teóricos, sino de la capacidad para producir sistemas reproducibles, estables y económicamente viables.

El futuro cuántico no se construirá con promesas, sino con precisión física.