¿Qué es una computadora cuántica y en qué consiste? No todas las computadoras tienen derecho a ese nombre. Por qué esto es así y por qué se necesitan tales instalaciones, explica Christopher Monroe, profesor de la Universidad de Maryland y uno de los principales actores de la "carrera cuántica" mundial.
El Russian Quantum Center organiza regularmente importantes conferencias internacionales en Moscú dedicadas al desarrollo de tecnologías cuánticas y su aplicación práctica. En su trabajo no solo participan investigadores destacados, sino también representantes de grandes empresas y funcionarios gubernamentales rusos y extranjeros.
Este año, la conferencia contó con la presencia de los líderes de tres equipos científicos líderes en la creación de sistemas complejos de computación cuántica. Además de Mikhail Lukin, profesor de la Universidad de Harvard (EE. UU.), Que anunció por primera vez la creación de una computadora récord de 51 qubits en la conferencia anterior, participaron los profesores Christopher Monroe y Harmut Neven.
Monroe, que trabaja hoy en la Universidad de Maryland (EE. UU.), Creó una máquina de potencia similar casi simultáneamente con su contraparte ruso-estadounidense, utilizando principios similares, pero ligeramente diferentes.
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Habló sobre la dirección en la que se está desarrollando este sistema, cómo se diferencia de los "competidores" y dónde se encuentra la frontera entre las computadoras cuánticas reales que corresponden plenamente a este término y los sistemas informáticos que se construyen sobre la base de principios clásicos.
Superioridad cuántica
Las computadoras cuánticas son dispositivos informáticos especiales cuya potencia crece exponencialmente debido al uso de las leyes de la mecánica cuántica en su trabajo. Todos estos dispositivos constan de qubits: celdas de memoria y, al mismo tiempo, módulos informáticos primitivos capaces de almacenar un rango de valores entre cero y uno.
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Hoy en día, existen dos enfoques principales para el desarrollo de tales dispositivos: clásico y adiabático. Los defensores del primero de ellos están tratando de crear una computadora cuántica universal, en la que los qubits obedecerían las reglas por las que funcionan los dispositivos digitales ordinarios. Trabajar con un dispositivo informático de este tipo, idealmente, no sería muy diferente de cómo los ingenieros y programadores operan las computadoras convencionales.
Una computadora adiabática es más fácil de crear, pero está más cerca en sus principios de funcionamiento a las máquinas sumadoras, las reglas de cálculo y las computadoras analógicas de principios del siglo XX, y no a los dispositivos digitales de nuestro tiempo. También existen enfoques híbridos que combinan las características de ambas máquinas. Entre ellos, según Monroe, se puede atribuir a la computadora de Mikhail Lukin.
Según Monroe, esto se debe al hecho de que las células de memoria de su máquina están construidas sobre la base de iones del metal de tierras raras iterbio, cuyo estado no cambia cuando se manipula con rayos láser. La computadora cuántica de Lukin, a su vez, está construida sobre la base de los llamados átomos de Rydberg, que no están protegidos de tales influencias.
Son átomos de rubidio-87 u otros metales alcalinos, cuyo electrón libre fue "empujado" a una gran distancia del núcleo utilizando pulsos especiales de ondas de radio o láser. Debido a esto, el tamaño del átomo aumenta alrededor de un millón de veces, lo que lo convierte en un qubit, pero, como explicó Monroe, no permite que se mueva sin deformar esta estructura y sin destruir estados cuánticos.
La ausencia de tales problemas en los iones, según el físico estadounidense, permitió a su equipo crear no un híbrido, sino una computadora cuántica totalmente controlada, cuyos qubits los científicos pueden manipular directamente en el curso de la computación.
Por ejemplo, hace tres años, mucho antes de la creación de máquinas más grandes, Monroe y su equipo anunciaron que habían logrado crear la primera computadora cuántica reprogramable, que constaba de cinco celdas de memoria. Esta modesta máquina, gracias a su alta flexibilidad, permitió a los físicos ejecutar varios programas cuánticos en ella a la vez.
En particular, lograron ejecutar los algoritmos Deutsch-Jozy, Bernstein-Vazirani en esta mini computadora, así como crear una versión cuántica de las transformadas de Fourier, la piedra angular de la criptografía y su ruptura.
Estos éxitos, así como las dificultades para mantener una gran cantidad de iones en trampas, señala Monroe, lo llevaron a pensar que los sistemas de computación cuántica deberían construirse de forma modular en lugar de monolítica. En otras palabras, las computadoras cuánticas "serias" no representarán un todo único, sino una especie de red, que consta de muchos módulos similares y bastante simples.
Vacío imperfecto
Tales sistemas, como señaló el profesor estadounidense, ya existen, pero aún no se utilizan en prototipos de computadoras cuánticas por una simple razón: funcionan unas cien veces más lento que los propios qubits. Sin embargo, cree que este problema es completamente solucionable, ya que tiene una naturaleza más ingenieril que científica.
Otro problema potencial que interferirá con el funcionamiento de las computadoras cuánticas monolíticas o simplemente grandes es que el vacío, como dijo Monroe, no es perfecto. Siempre contiene una pequeña cantidad de moléculas, cada una de las cuales puede chocar con qubits atómicos e interferir con su trabajo.
La única forma de superar esto es enfriar aún más la computadora cuántica, lo más cerca posible del cero absoluto. El equipo de Monroe aún no está involucrado en esto, ya que el número de qubits en su máquina es pequeño, pero en el futuro este problema definitivamente tendrá que resolverse.
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El enfoque modular, como sugiere el profesor estadounidense, será otra forma de resolver este problema, ya que permitirá dividir la computadora en muchas partes independientes que contienen cantidades relativamente pequeñas de qubits. En teoría, no funcionará tan rápido como una máquina monolítica, pero evitará el problema del "vacío imperfecto", ya que los módulos serán más fáciles de enfriar y controlar.
¿Cuándo llegará este momento? Como sugiere Monroe, en los próximos tres a cinco años, se crearán máquinas que incluirán varios cientos de qubits. Serán capaces de realizar varias decenas de miles de operaciones y no requerirán refrigeración extrema o sistemas de corrección de errores para funcionar.
Estas máquinas podrán resolver muchos problemas prácticos complejos, pero no serán computadoras completas en el sentido clásico de la palabra. Para hacer esto, necesitará aumentar el número de qubits y "enseñarles" a corregir errores de forma independiente en su trabajo. Esto, según el físico, llevará otros cinco años.
Tramo final de la carrera
Las primeras computadoras cuánticas complejas, según Monroe, se construirán sobre la base de tecnologías iónicas o atómicas, ya que todas las demás versiones de qubits, incluidas las prometedoras células de memoria de semiconductores, aún no han alcanzado un nivel similar de desarrollo.
“Hasta ahora, todos estos son experimentos de laboratorio universitario. Estos qubits no se pueden utilizar para crear puertas lógicas completas. Por lo tanto, estoy de acuerdo con Mikhail en que nuestros colegas de Australia, Intel y otros equipos tendrán que resolver muchos problemas prácticos antes de que puedan crear un sistema informático completo”, señala el físico.
¿Cómo determinar al ganador en esta "carrera cuántica"? Hace dos años, Monroe y sus colegas intentaron responder a esta pregunta organizando la primera prueba comparativa de computadoras cuánticas. Eligieron una computadora cuántica de IBM basada en qubits superconductores como competidor para la primera versión de su máquina.
Para compararlos, físicos y programadores de la Universidad de Maryland prepararon el primer conjunto de "puntos de referencia cuánticos": algoritmos simples que miden tanto la precisión como la velocidad de estas computadoras. La prueba no reveló un ganador directo: la computadora de Monroe y su equipo ganó exactamente, pero perdió en velocidad frente a la máquina de IBM.
Al mismo tiempo, Monroe cree que la llamada superioridad cuántica (la creación de una computadora cuántica, cuyo comportamiento no puede calcularse con otros métodos) no será un logro científico o práctico serio.
“El problema radica en el concepto en sí. Por un lado, nuestros experimentos con cinco docenas de qubits, como los experimentos de Mikhail, ayudaron a calcular aquellas cosas que de otra manera no se pueden calcular. Por otro lado, esto no puede llamarse superioridad, ya que no podemos probar que realmente no se pueda calcular de otras formas. La superioridad cuántica aparecerá tarde o temprano, pero personalmente no voy a perseguirla”, enfatizó el científico.
Otra dificultad radica en el hecho de que todavía no podemos decir con certeza qué problemas pueden resolver las computadoras cuánticas y dónde su aplicación será más justificada y útil. Para ello, es necesario que tanto el entorno científico como toda la sociedad comiencen a percibir estas máquinas como una herramienta asequible y universal.
Misterios cuánticos del universo
Por esta razón, el profesor estadounidense no cree que los sistemas informáticos adiabáticos como los dispositivos D-Wave puedan denominarse computadoras cuánticas. Su trabajo, según el físico, se basa en principios físicos completamente clásicos que nada tienen que ver con la mecánica cuántica real.
“A pesar de esto, las computadoras analógicas como estas son extremadamente interesantes desde un punto de vista práctico. Simplemente puede tomar algunos imanes, adjuntarlos a una malla triangular y rastrear su comportamiento. Estos experimentos no tendrán nada que ver con la física cuántica, pero permitirán algunos cálculos de optimización complejos. Los inversores están interesados en ellos, lo que significa que esto no se hace en vano”, prosigue el profesor.
¿Qué tareas puede resolver una computadora cuántica "real"? Como señaló Monroe, en los últimos años, muchos otros equipos de físicos se han puesto en contacto con su equipo. Planean usar su máquina para resolver muchos problemas científicos importantes que no se pueden calcular en una computadora convencional.
Hasta ahora, los mismos experimentos, como admitió el físico, pueden llevarse a cabo en supercomputadoras ordinarias. Por otro lado, en los próximos años, el número de qubits en las máquinas cuánticas aumentará significativamente, lo que hará que su trabajo sea incontable.
Esto ampliará su aplicabilidad y hará de dichos experimentos una de las formas más interesantes y únicas de estudiar los objetos más grandes y misteriosos del Universo, además de resolver muchas tareas cotidianas, como encontrar rutas o gestionar la economía, concluye el investigador.
