La carrera está en pleno apogeo. Las principales empresas del mundo están tratando de crear la primera computadora cuántica, basada en una tecnología que durante mucho tiempo ha prometido a los científicos ayudar a desarrollar maravillosos materiales nuevos, encriptación perfecta de datos y predecir con precisión los cambios en el clima de la Tierra. Tal máquina probablemente aparecerá no antes de diez años a partir de ahora, pero esto no detiene a IBM, Microsoft, Google, Intel y otros. Literalmente, colocan bits cuánticos, o qubits, en un chip de procesador, literalmente. Pero el camino hacia la computación cuántica implica mucho más que manipular partículas subatómicas.
Un qubit puede representar 0 y 1 al mismo tiempo, gracias al fenómeno cuántico único de superposición. Esto permite que los qubits realicen una gran cantidad de cálculos al mismo tiempo, lo que aumenta enormemente la velocidad y la capacidad de cálculo. Pero existen diferentes tipos de qubits y no todos se crean de la misma manera. En un chip cuántico de silicio programable, por ejemplo, el valor de un bit (1 o 0) está determinado por la dirección de rotación de su electrón. Sin embargo, los qubits son extremadamente frágiles y algunos necesitan temperaturas de hasta 20 milikelvins, 250 veces más frías que en el espacio profundo, para mantenerse estables.
Por supuesto, una computadora cuántica no es solo un procesador. Estos sistemas de próxima generación requerirán nuevos algoritmos, nuevo software, conexiones y un montón de tecnologías aún por inventar que se benefician de una potencia informática colosal. Además, los resultados de los cálculos deberán almacenarse en algún lugar.
"Si no hubiera sido tan difícil, ya lo habríamos hecho", dice Jim Clark, director de hardware cuántico en Intel Labs. En el CES de este año, Intel presentó un procesador de 49 qubit, con nombre en código Tangle Lake. Hace unos años, la empresa creó un entorno virtual para probar software cuántico; utiliza la poderosa supercomputadora Stampede (de la Universidad de Texas) para simular un procesador de 42 qubit. Sin embargo, para comprender realmente cómo escribir software para computadoras cuánticas requiere simular cientos o incluso miles de qubits, dice Clarke.
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Scientific American entrevistó a Clarke sobre los diferentes enfoques para construir una computadora cuántica, por qué son tan frágiles y por qué todo lleva tanto tiempo. Te resultará interesante.
¿En qué se diferencia la computación cuántica de la computación tradicional?
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Una metáfora común que se utiliza para comparar los dos tipos de cálculos es una moneda. En un procesador de computadora tradicional, el transistor es cara o cruz. Pero si pregunta de qué lado mira la moneda cuando gira, dirá que la respuesta puede ser ambas. Así es como funciona la computación cuántica. En lugar de los bits habituales que representan 0 o 1, tiene un bit cuántico que representa tanto 0 como 1 al mismo tiempo hasta que el qubit deja de girar y entra en un estado de reposo.
El espacio de estados, o la capacidad de iterar sobre una gran cantidad de combinaciones posibles, es exponencial en el caso de una computadora cuántica. Imagina que tengo dos monedas en la mano y las lanzo al aire al mismo tiempo. A medida que rotan, representan cuatro estados posibles. Si lanzo tres monedas al aire, representan ocho estados posibles. Si lanzo cincuenta monedas al aire y les pregunto cuántos estados representan, la respuesta es un número que ni siquiera la supercomputadora más poderosa del mundo puede calcular. Trescientas monedas, todavía un número relativamente pequeño, representarán más estados que átomos en el universo.
¿Por qué los qubits son tan frágiles?
La realidad es que las monedas, o qubits, eventualmente dejan de girar y colapsan en un cierto estado, ya sea cara o cruz. El objetivo de la computación cuántica es mantenerlo girando en superposición en un conjunto de estados durante mucho tiempo. Imagínese que una moneda gira en mi mesa y alguien empuja la mesa. La moneda puede caer más rápido. El ruido, los cambios de temperatura, las fluctuaciones eléctricas o las vibraciones pueden interferir con el funcionamiento del qubit y provocar la pérdida de sus datos. Una forma de estabilizar ciertos tipos de qubits es mantenerlos fríos. Nuestros qubits funcionan en un refrigerador del tamaño de un barril de 55 galones y usan un isótopo especial de helio para enfriarlos hasta casi el cero absoluto.
¿En qué se diferencian los diferentes tipos de qubits entre sí?
Hay no menos de seis o siete tipos diferentes de qubits, y alrededor de tres o cuatro de ellos se están considerando activamente para su uso en computadoras cuánticas. La diferencia es cómo manipular los qubits y hacer que se comuniquen entre sí. Necesita dos qubits para comunicarse entre sí a fin de realizar grandes cálculos "entrelazados", y diferentes tipos de qubits se entrelazan de diferentes maneras. El tipo que he descrito que requiere un enfriamiento extremo se denomina sistema superconductor, que incluye nuestro procesador Tangle Lake y computadoras cuánticas construidas por Google, IBM y otros. Otros enfoques utilizan cargas oscilantes de iones atrapados, mantenidos en su lugar en una cámara de vacío por rayos láser, que actúan como qubits. Intel no desarrolla sistemas de iones atrapados porque requiere un conocimiento profundo de los láseres y la óptica,no podemos hacerlo.
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Sin embargo, estamos estudiando un tercer tipo, al que llamamos qubits de espín de silicio. Se ven exactamente como los transistores de silicio tradicionales, pero funcionan con un solo electrón. Los qubits de giro utilizan pulsos de microondas para controlar el giro de un electrón y liberar su fuerza cuántica. Esta tecnología es menos madura hoy en día que la tecnología qubit superconductora, pero podría decirse que es mucho más probable que se escale y se convierta en un éxito comercial.
¿Cómo llegar a este punto desde aquí?
El primer paso es hacer estos chips cuánticos. Al mismo tiempo, hemos realizado simulaciones en una supercomputadora. Para ejecutar el simulador cuántico de Intel, se necesitan unos cinco billones de transistores para simular 42 qubits. Se necesitan un millón de qubits o más para alcanzar un alcance comercial, pero comenzar con un simulador como este puede construir la arquitectura básica, compiladores y algoritmos. Hasta que no tengamos sistemas físicos que incluyan desde unos pocos cientos hasta mil qubits, no está claro qué tipo de software podemos ejecutar en ellos. Hay dos formas de aumentar el tamaño de tal sistema: una es agregar más qubits, lo que requerirá más espacio físico. El problema es que si nuestro objetivo es construir computadoras con un millón de qubits, las matemáticas no les permitirán escalar bien. Otra forma es comprimir las dimensiones internas del circuito integrado, pero este enfoque requeriría un sistema superconductor, que debe ser enorme. Los qubits de giro son un millón de veces más pequeños, por lo que estamos buscando otras soluciones.
Además, queremos mejorar la calidad de los qubits, lo que nos ayudará a probar algoritmos y construir nuestro sistema. La calidad se refiere a la precisión con la que se comunica la información a lo largo del tiempo. Si bien muchas partes de dicho sistema mejorarán la calidad, las mayores ganancias vendrán del desarrollo de nuevos materiales y la mejora de la precisión de los pulsos de microondas y otros componentes electrónicos de control.
Recientemente, el Subcomité de Comercio Digital y Protección del Consumidor de EE. UU. Celebró una audiencia sobre computación cuántica. ¿Qué quieren saber los legisladores sobre esta tecnología?
Hay varias audiencias asociadas con diferentes comités. Si tomamos la computación cuántica, podemos decir que se trata de tecnologías informáticas para los próximos 100 años. Es natural que Estados Unidos y otros gobiernos estén interesados en esta oportunidad. La Unión Europea tiene un plan de miles de millones de dólares para financiar la investigación cuántica en Europa. China anunció el otoño pasado una base de investigación de $ 10 mil millones que se centrará en la informática cuántica. La pregunta es, ¿qué podemos hacer como país a nivel nacional? Las universidades, el gobierno y la industria deben ejecutar una estrategia nacional para la computación cuántica, trabajando juntos en diferentes aspectos de la tecnología. Los estándares son definitivamente necesarios en términos de comunicaciones o arquitectura de software. El trabajo también es un problema. Ahora, si abro una vacante para un experto en computación cuántica, es probable que dos tercios de los solicitantes estén fuera de los EE. UU.
¿Qué impacto puede tener la computación cuántica en el desarrollo de la inteligencia artificial?
Normalmente, los primeros algoritmos cuánticos propuestos se centrarán en la seguridad (por ejemplo, criptográfico) o el modelado químico y de materiales. Estos son problemas fundamentalmente insolubles para las computadoras tradicionales. Sin embargo, hay toneladas de startups y grupos de científicos que trabajan en aprendizaje automático e inteligencia artificial con la introducción de computadoras cuánticas, incluso teóricas. Dado el marco de tiempo requerido para el desarrollo de la IA, esperaría la aparición de chips tradicionales optimizados específicamente para algoritmos de IA, lo que a su vez tendrá un impacto en el desarrollo de chips cuánticos. En cualquier caso, la IA definitivamente recibirá un impulso de la computación cuántica.
¿Cuándo veremos que las computadoras cuánticas en funcionamiento resuelvan problemas del mundo real?
El primer transistor se creó en 1947. El primer circuito integrado fue en 1958. El primer microprocesador de Intel, que contenía alrededor de 2500 transistores, no salió hasta 1971. Cada uno de estos hitos ha estado separado por más de una década. La gente piensa que las computadoras cuánticas están a la vuelta de la esquina, pero la historia muestra que los avances toman tiempo. Si en 10 años tenemos una computadora cuántica con unos pocos miles de qubits, definitivamente cambiará el mundo tal como lo hizo el primer microprocesador.
Ilya Khel
