Tu próximo desafío de diseño podría ser cuántico

Estamos en el año 2030. Tu software de EDA potenciado por tecnología cuántica acaba de simular un nuevo material para baterías a nivel molecular – una tarea que antes tomaba meses, ahora se realiza en media hora. Al otro lado de la sala, tu colega utiliza un sistema híbrido cuántico-clásico para optimizar un complejo diseño de RF, explorando simultáneamente millones de configuraciones posibles. Mientras tanto, el experto en criptografía de tu equipo implementa los últimos protocolos resistentes a cuánticos para asegurar tus diseños, ya que la encriptación tradicional ya no puede proporcionar protección significativa.

Esto no es ciencia ficción. Es el futuro de la ingeniería electrónica, y está llegando más rápido de lo que muchos se dan cuenta. La computación cuántica está al borde de transformar cómo diseñamos, simulamos y protegemos los sistemas electrónicos. Para los ingenieros, eso significa prepararse para una ola de disrupción y oportunidad.

En reconocimiento al impacto acelerado de las tecnologías cuánticas, las Naciones Unidas han declarado el 2025 como el Año Internacional de la Ciencia y Tecnología Cuántica. Esta iniciativa promoverá el creciente papel del cuántico a través de disciplinas, fomentando el compromiso público y profesional con el campo.

Entendiendo el Salto Cuántico

Para entender por qué la cuántica es importante, ayuda contrastarla con la computación clásica. Los ordenadores clásicos utilizan bits que son o un 0 o un 1. Los ordenadores cuánticos usan qubits, que pueden ser 0 y 1 al mismo tiempo, una propiedad llamada superposición. Cuando los qubits se entrelazan, sus estados se vinculan, permitiendo cálculos concurrentes a través de muchas posibilidades. Estas características hacen que las máquinas cuánticas sean ideales para problemas que sobrepasan a los procesadores clásicos.

En el núcleo de estas máquinas cuánticas se encuentra la unidad de procesamiento cuántico (QPU), el contraparte del CPU clásico. Un QPU alberga qubits así como la electrónica de control y el hardware clásico necesario para gestionarlos. Juntos, forman un sistema de precisión capaz de ejecutar instrucciones cuánticas mientras filtran el ruido ambiental que puede alterar los delicados estados de los qubits.

Por Qué la Cuántica es Importante para la Electrónica

La computación cuántica ya está empezando a impactar el mundo de la electrónica. Tres áreas prácticas destacan:

• Descubrimiento de Materiales: Simular interacciones moleculares con herramientas clásicas es intensivo en tiempo y a menudo impreciso. Los sistemas cuánticos pueden modelar estos comportamientos a nivel cuántico, acelerando el desarrollo de semiconductores, baterías y otros materiales avanzados.
• Optimización del Diseño: Los ordenadores cuánticos sobresalen en explorar espacios de soluciones masivas. Esta capacidad abre nuevos frentes en el diseño de circuitos analógicos, diseño de celdas de memoria y otros campos de diseño.
• Seguridad y Resiliencia: A medida que las máquinas cuánticas ganan potencia, amenazan con romper la encriptación de hoy. Pero también apoyan la creación de algoritmos resistentes a la cuántica, algunos de los cuales ya están integrados en el hardware actual.

Carrera hacia la Preparación

IBM, Google y D-Wave han realizado avances rápidos en la tecnología cuántica durante los últimos dos años, con hojas de ruta competitivas, objetivos de investigación audaces y un ecosistema creciente de socios y clientes probando soluciones cuánticas. Estas compañías están dando forma a las pilas de software, modelos de acceso a la nube e investigaciones colaborativas que definirán las primeras aplicaciones cuánticas. Esta convergencia de innovación, compromiso y colaboración está ayudando a hacer que la computación cuántica sea más relevante para ingenieros y científicos que trabajan en el "mundo real", no solo para aquellos que trabajan en laboratorios cuánticos. 

El procesador cuántico R2 IBM Heron, anunciado a finales de 2024, cuenta con 156 qubits de acoplador sintonizable y funciona hasta 50 veces más rápido que su predecesor, el Heron original, lanzado a finales de 2023. Cuando se combina con herramientas de software de código abierto Qiskit, el procesador R2 Heron puede realizar 5,000 operaciones de puerta de dos qubits, el doble del mejor registro anterior (a finales de 2024). Según los investigadores de IBM, este rendimiento lo prepara para cálculos cuánticos complejos. 

La QPU Willow de Google, anunciada en diciembre de 2024, incluye 105 qubits transmon superconductores y demostró un hito en la corrección de errores cuánticos: las tasas de error disminuyen a medida que se añaden más qubits. Willow recientemente completó un complejo punto de referencia en menos de cinco minutos, una tarea que tomaría a las supercomputadoras clásicas una cantidad asombrosa de 10 septillones de años!

A diferencia de la mayoría de sus competidores, D-Wave tomó un camino fundamentalmente diferente en la computación cuántica al enfocarse en el recocido cuántico, una técnica diseñada específicamente para resolver problemas de optimización. Mientras que las computadoras cuánticas basadas en puertas (como las de IBM y Google) buscan convertirse en sistemas de propósito general capaces de ejecutar una amplia gama de algoritmos, los recocedores cuánticos como los de D-Wave están altamente especializados. Sobresalen en encontrar soluciones óptimas en espacios de búsqueda vastos y complejos, lo que los hace ideales para logística, programación de horarios, aprendizaje automático y modelado de materiales.

En marzo de 2025, D-Wave anunció que su sistema Advantage2, construido con más de 7,000 qubits superconductores y conectividad de qubits de 20 vías, había alcanzado un hito significativo. Logró simular un desafiante problema de ciencia de materiales en solo 20 minutos. Un supercomputador tradicional tardaría aproximadamente un millón de años en realizar este trabajo. Aunque no es tan dramático como las afirmaciones de dominio de referencia por parte de los sistemas basados en puertas, este logro destaca la fuerza única de D-Wave en la aplicación de herramientas cuánticas a problemas reales de optimización industrial.

Investigadores chinos anunciaron Zuchongzhi 3.0, un procesador cuántico que alcanza una velocidad un billón de veces superior a la de los supercomputadores más avanzados de hoy en día. Con 105 qubits superconductores, el chip demuestra que, a pesar de las sanciones comerciales de EE.UU., China es un competidor en la carrera por la tecnología de computación cuántica.

Más allá de estos chips y máquinas que acaparan titulares, una nueva ola de desarrollos muestra el impulso del campo. Investigadores conectaron múltiples procesadores cuánticos juntos por primera vez a principios de 2025, un paso crítico hacia la escalabilidad. Alrededor del mismo tiempo, un sistema cuántico de 56 qubits generó "aleatoriedad certificada", creando números impredecibles de manera probada. Este salto podría revolucionar la encriptación, las simulaciones y las comunicaciones seguras.

EDA Recibe Ayuda Cuántica

Diseñar circuitos de alto rendimiento es una de las tareas más complejas en la ingeniería electrónica. Las herramientas clásicas de EDA a menudo dependen de la simulación por fuerza bruta y pruebas secuenciales, lo que puede llevar días, semanas o incluso meses. Como se vislumbró en nuestro escenario inicial, herramientas de EDA mejoradas con cuántica prometen acelerar esto dramáticamente evaluando miles o millones de configuraciones posibles concurrentemente. Esta ventaja cuántica es especialmente convincente para problemas como la optimización de circuitos analógicos, enrutamiento de diseño y distribución de energía, donde el espacio de soluciones rápidamente se vuelve demasiado vasto para que las herramientas clásicas lo exploren exhaustivamente.

Mientras tanto, compañías como NVIDIA y Keysight están colaborando con Google Quantum AI para avanzar en simulaciones de circuitos cuánticos a gran escala y desarrollar nuevas técnicas de modelado para componentes superconductores. Arquitecturas híbridas – combinando flujos de diseño clásicos con aceleradores cuánticos – ya están entregando mejoras medibles en tareas específicas, marcando un cambio de novedad experimental a herramienta de ingeniería aplicada.

Empezando con Herramientas Cuánticas

Afortunadamente, no necesitas un laboratorio cuántico para empezar. Plataformas accesibles en la nube permiten a los ingenieros probar técnicas de optimización cuántica y cuántica inspirada sin infraestructura especializada.IBM Qiskit Metal se integra con herramientas de EDA y simulación conocidas, permitiendo a los ingenieros diseñar hardware cuántico en Python. Amazon Braket y Microsoft Azure Quantum ofrecen acceso en la nube a procesadores cuánticos, incluyendo sistemas de IonQ, Rigetti y D-Wave.

Enfrentando Desafíos del Mundo Real

A pesar de las promesas, las máquinas cuánticas de hoy en día siguen siendo delicadas y requieren muchos recursos. Los sistemas de qubits superconductores típicamente necesitan refrigeradores de dilución y equipos de protección para mantener temperaturas criogénicas cercanas al cero absoluto – condiciones que son muy sensibles al ruido ambiental. Incluso los procesadores de pequeña escala demandan entornos térmicos estables, control preciso de microondas y calibración extensiva.

Estas limitaciones físicas y de ingeniería limitan la accesibilidad del hardware cuántico práctico. Pero también están impulsando la innovación en miniaturización, crioelectrónica y diseño modular. Los ingenieros están desarrollando circuitos criogénicos CMOS, experimentando con interconexiones superconductoras y refinando las interfaces que unen los dominios cuántico y clásico. Hay progreso, pero los sistemas robustos y escalables aún enfrentan desafiantes retos de ingeniería con la energía, el costo y la integración del sistema.

Dónde Va la Ingeniería a Continuación

La era cuántica no reemplazará a la electrónica clásica. La complementará y acelerará. Para los ingenieros, eso significa nuevas herramientas para abordar problemas que una vez se consideraron imprácticos o imposibles. A medida que estas capacidades evolucionen, aquellos que las exploren ahora ganarán la fluidez técnica necesaria para dar forma a cómo se integran las capacidades cuánticas en los sistemas que redefinirán cómo diseñamos, simulamos y aseguramos la electrónica en la era cuántica.