La física cuántica gobierna todo lo que nos rodea. ¿Es posible convertir todo el Universo en una computadora cuántica, lo notarán los extraterrestres y por qué se necesitan tales máquinas? Jacob Biamonte, profesor de Skoltech, uno de los principales expertos en este campo, responde a estas preguntas y cuenta cómo terminó en Rusia.
Futuro brillante
“Vine por primera vez a Rusia hace más de diez años, y no para hacer física. Soy aficionado a las artes marciales, incluido el sambo, y vine aquí para estudiar e intercambiar experiencias. Más tarde supe que aquí se dan todas las condiciones para hacer ciencia avanzada, atraer a la cooperación a científicos de todo el mundo”, dice el científico.
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Hoy dirige los laboratorios Deep Quantum, creados hace dos años en el marco de Skoltech para unir los esfuerzos de físicos, matemáticos, programadores e ingenieros rusos y extranjeros que estudian los problemas asociados al desarrollo de sistemas de computación cuántica.
“No nos ocupamos de la práctica, sino de todos los aspectos teóricos y de 'software' de la computación cuántica, e interactuamos con experimentadores, incluidos científicos de Skoltech y especialistas de la Universidad Estatal de Moscú, RCC e ITMO. Estamos abiertos a la cooperación y estamos dispuestos a ayudar a cualquier experimentador que estudie estos temas”, continúa el profesor.
¿Qué es una computadora cuántica? Por su propia naturaleza, es radicalmente diferente de los dispositivos informáticos clásicos, que permiten operaciones matemáticas simples o complejas sobre números o conjuntos de datos expresados como ceros y unos.
En los primos cuánticos de las computadoras clásicas, cuyos principios fueron formulados hace más de 30 años por el físico soviético Yuri Manin, la información se codifica de una manera fundamentalmente diferente. Las celdas de memoria elementales, las llamadas qubits, no pueden contener ni cero ni uno, sino todo un espectro de valores en el intervalo entre ellas.
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Como resultado, la potencia de tales computadoras crece exponencialmente: el comportamiento de un procesador cuántico con varias decenas de qubits no se puede calcular ni siquiera con la ayuda de las supercomputadoras clásicas más poderosas.
Durante mucho tiempo, estas máquinas siguieron siendo objeto de ciencia ficción e investigación teórica de los físicos, pero en los últimos 15 años, los científicos han logrado un gran avance en la creación de qubits y su combinación en sistemas más complejos. Las versiones más avanzadas de computadoras cuánticas desarrolladas en Google, IBM y en la Universidad de Harvard por el grupo de Mikhail Lukin contienen de 20 a 50 qubits.
Timur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte, profesor de física en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo.
A pesar de estos avances, los desarrolladores de estas máquinas asumen que los sistemas informáticos completos capaces de resolver cualquier problema no aparecerán pronto, en 10-20 años. Curiosamente, esta estimación no ha cambiado desde finales de la década de 1990, pero constantemente surgen algunos problemas nuevos, cada vez que hacen a un lado el "futuro cuántico brillante" que nunca llega.
Como apuntó Biamonte en sus conferencias de divulgación científica, toma una posición especial: en su opinión, los sistemas de computación cuántica "útiles" aparecerán mucho antes, pero no serán en absoluto lo que el gran público y los medios de comunicación los imaginan.
“Hoy hay un gran problema en física, que es al mismo tiempo su principal ventaja. Los experimentadores lo ejecutan todo. Por alguna razón, piensan que los experimentos son más importantes para la ciencia que la teoría. Gracias al dinero invertido en esta área, la física teórica ha quedado prácticamente destruida”, dice Biamonte.
El propio profesor se refiere a sí mismo como un representante de la física teórica clásica, cuyas ideas dominaron la ciencia hace un siglo, en las primeras etapas del nacimiento de la mecánica cuántica y la física de Einstein moderna. En las últimas décadas, personas como él tuvieron que trasladarse a departamentos de matemáticas, donde se sienten mucho más cómodos.
“Los experimentadores, incluidos los creadores de computadoras cuánticas, solo se preocupan por sus propios diseños. Con algunas excepciones, no están interesados en lo que se sabe sobre la capacidad de tales dispositivos en general. Esto afecta su mentalidad y les hace dar valoraciones no racionales, sino emocionales”, explica la investigadora.
Por ejemplo, todavía no hay una evidencia clara única de que las computadoras cuánticas puedan superar a sus contrapartes clásicas en velocidad de computación. Al mismo tiempo, especifica Biamonte, si generalizamos todos los modelos simplificados demostrando algunos aspectos de esta superioridad, obtendremos evidencia bastante convincente a favor de la superioridad de las calculadoras cuánticas.
“Por un lado, Aleksey Ustinov, Aleksandr Zagoskin y otros líderes en este campo tienen razón: una computadora cuántica realmente no llegará pronto. Por otro lado, en este caso estamos hablando de máquinas universales capaces de corregir sus propios errores”, apunta el físico.
La falta de tal habilidad en una computadora, enfatiza Biamonte, no la hace absolutamente inútil o inferior.
Máquina sumadora atómica
“Hay innumerables ejemplos de varios sistemas cuánticos en la naturaleza que no tienen esta capacidad. Su comportamiento es muy difícil de calcular usando computadoras comunes. Por tanto, la creación de un sistema cuántico que simule dichos procesos nos permitirá realizar los cálculos adecuados y obtener algo útil”, dice el científico.
Esta idea está lejos de ser nueva: fue expresada por el famoso físico estadounidense Richard Feynman solo dos años después de la publicación de los primeros artículos de Manin. Como señaló Biamonte, los experimentadores han estado desarrollando activamente tales sistemas en los últimos años, y los teóricos están pensando en dónde se pueden aplicar.
Tales dispositivos de computación analógica, los llamados computadores adiabáticos, o "recocido" en la jerga de los físicos, no tienen que usar efectos cuánticos; para muchos problemas, las interacciones clásicas entre átomos son suficientes.
“Hay tres tipos de computadoras de este tipo: máquinas de recocido clásicas, sus contrapartes de aceleración cuántica y procesadores cuánticos de pleno derecho basados en puertas lógicas cuánticas. Estos últimos fueron creados en los laboratorios de IBM, el primero - en Fujitsu, el segundo - en D-Wave”, dice el científico.
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Biamonte y sus colegas de Skoltech están más interesados en máquinas de tercera clase. Dichos dispositivos, dijo, son bastante difíciles de crear, pero pueden usarse para resolver los problemas de optimización más complejos: desde el aprendizaje automático hasta el desarrollo de nuevos fármacos.
“Estas máquinas son muy interesantes, pero los primeros dispositivos reales de este tipo solo aparecerán en unos años. Por otro lado, es posible crear annealers clásicos y cuánticos ahora mismo. Y ahora, en la práctica, siguen siendo los más útiles de los ordenadores cuánticos”, añade Biamonte.
Muchos procesos de la física de partículas, prosigue el investigador, están programados por la naturaleza para que se optimicen, esforzándose por alcanzar un mínimo energético. En consecuencia, si aprendemos a controlar estos procesos, podemos hacer que un conjunto de átomos u otros objetos hagan estos cálculos por nosotros.
“¿Por qué desperdiciar una gran cantidad de tiempo de CPU en tal optimización, si se puede hacer con un dispositivo de recocido clásico o un dispositivo cuántico similar a D-Wave? En sentido figurado, ¿por qué, al estudiar el viento, utilizar un túnel de viento virtual, si ya tenemos uno real? Muchas empresas rusas están pensando en esto y estamos cooperando activamente con ellas”, enfatiza el científico.
La finalización exitosa de estos experimentos allanará el camino para el desarrollo de agentes de recocido cuántico, en los que los principios de la física cuántica se utilizan para acelerar las interacciones entre átomos y otras partículas. Por supuesto, algunas tareas científicas no estarán disponibles para ellos, pero podrán resolver muchos problemas cotidianos, como la optimización del tráfico o la gestión de la cartera de valores.
La mayoría de los observadores, señala el profesor de Skoltech, creen que Google ganará en la carrera cuántica. Biamonte no está de acuerdo con esto: a los representantes de la empresa californiana les gusta mucho hablar de sus éxitos, pero casi nunca publican artículos científicos y no desvelan los secretos del dispositivo de sus máquinas cuánticas.
En su opinión, los ingenieros de IBM están más cerca del objetivo: las computadoras de esta empresa realmente funcionan y se pueden verificar en cualquier momento a través de sistemas especiales en la nube. Pero la escala todavía es bastante limitada y estas máquinas aún no se pueden utilizar para resolver problemas complejos.
Pensando en galaxias
Si estos sistemas "serios" se crean en un futuro próximo, surge una pregunta natural: ¿de qué pueden estar hechos, qué tamaño pueden alcanzar y cómo afectarán nuestra vida?
Según el propio Biamonte, no existen limitaciones físicas fundamentales para las computadoras cuánticas (o dispositivos de recocido) con millones de qubits. Por otro lado, es completamente incomprensible cuántos qubits habrá en realidad, ya que ahora nos encontramos en las primeras etapas del desarrollo de las tecnologías cuánticas.
“Hasta ahora, estamos tratando de adaptar las tecnologías que ya están disponibles en la industria electrónica para trabajar con computadoras cuánticas. Sin embargo, nadie está seguro de que esta sea la forma correcta. Hay sistemas que son mucho más adecuados para construir máquinas cuánticas. Sin embargo, son mucho más difíciles de manejar”, explica el científico.
Por ejemplo, los defectos especiales dentro de los diamantes están casi tan bien aislados del mundo exterior como los átomos individuales en el vacío del espacio. Aún no está claro cuántos de esos puntos pueden caber en un diamante y qué tan cerca pueden estar entre sí sin interferir con el trabajo de los vecinos. La respuesta a estas preguntas determina si los diamantes se utilizarán en computadoras cuánticas.
Las máquinas cuánticas realmente grandes, como señaló el profesor de Skoltech, resolverán no solo problemas prácticos relacionados con la vida humana cotidiana, sino también los acertijos científicos más interesantes.
Quizás revelen la naturaleza cuántica de la gravedad y pongan a prueba las teorías de Biamonte sobre la simetría del tiempo observando si están particularmente perturbados cuando intentan romper esta simetría o invertir el tiempo cuando realizan cálculos en tales máquinas.
Cuando la humanidad haya hecho frente a estas tareas, ¿qué hará la ciencia a continuación? Esta pregunta, dice Biamonte, está paradójicamente relacionada con la búsqueda de vida extraterrestre y cómo representantes de civilizaciones extraterrestres pueden señalar su existencia.
Imur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte y sus colegas de los laboratorios Deep Quantum.
“Imagina que someteremos toda la energía y el poder del universo. ¿Qué haremos primero? Por supuesto, podemos destruirnos a nosotros mismos, pero hay un escenario más interesante. Por ejemplo, tendremos la oportunidad de acelerar el movimiento de la Tierra a velocidades ultra altas y dejar una computadora en órbita”, dice el físico.
Según la teoría de la relatividad, el tiempo en el planeta se ralentizará. Si pasamos decenas de años en este estado, una máquina de computación cuántica o una computadora ordinaria en el "mundo exterior" funcionará durante varios milenios. Además, esta no es necesariamente una computadora hecha por el hombre, su función puede ser desempeñada por varios objetos espaciales, como nubes gigantes de gas, por ejemplo.
“¿Con qué frecuencia puedes hacer esto? No existe un límite explícito para tal "aceleración de los cálculos", pero todos sabemos que el Universo tardío no será un lugar muy interesante para nosotros. Las estrellas comenzarán a desvanecerse gradualmente y las galaxias se volverán invisibles entre sí debido a la expansión del universo”, señala el profesor.
Reflexiones similares plantean una pregunta natural: si la humanidad puede hacerlo, ¿qué impide que los extraterrestres hagan lo mismo? En consecuencia, algunos rastros de dicha computación cuántica "espacial" o sus contrapartes clásicas deben estar presentes en el espacio. ¿Qué indicaría esto, las gigantes computadoras cuánticas de los extraterrestres?
“No puedo dar una respuesta exacta a la pregunta de qué podría ser ni sugerir cómo buscarlos. Al mismo tiempo, la existencia de tales “calculadoras universales” me parece mucho más probable que la emergencia espontánea de “planetas inteligentes” y otros objetos cósmicos capaces de darse cuenta de sí mismos, lo que a menudo es discutido por los filósofos “cuánticos””, concluye Biamonte.
