Aprovechamiento de los bits cuánticos

El logro puede no estar a la altura de la transmisión de Samuel Morse Lo que Dios ha obrado desde Washington, DC a Baltimore en 1844 o la voz de Alexander Graham Bell entonando, Watson, ven aquí. Los quiero de una habitación a otra en 1876. Sin embargo, los científicos pueden eventualmente marcar como un hito el día en 2001 cuando Isaac Chuang y sus colegas en IBM determinaron que los dos factores primos del número 15 son tres y cinco.

Lo que hizo que su cálculo fuera notable, por supuesto, no fue la aritmética de la escuela primaria, sino que el cálculo había sido realizado por siete núcleos atómicos en una molécula de fluorocarbono diseñada a medida. La ironía de que un experimento tan complejo y delicado produzca un resultado tan vulgar y mundano no se le escapa a Chuang, uno de los investigadores de computación cuántica más destacados del mundo. Mi grupo, dice con una sonrisa, tiene el récord mundial de la computadora cuántica más grande e inútil.

Esta historia fue parte de nuestro número de marzo de 2003

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Pero Chuang, ahora profesor asociado en el MIT Media Lab, podría estar mostrando un exceso de humildad. Las computadoras cuánticas existen hoy en día solo en una escala dolorosamente pequeña. Pero a pesar de un comienzo lento, el campo parece estar a punto de producir avances reales en la teoría y la ingeniería cuánticas. Los investigadores han propuesto los primeros diseños para computadoras cuánticas a gran escala, dispositivos que utilizan las extrañas propiedades de las partículas subatómicas que existen en los extremos de tamaño pequeño y alta velocidad para resolver problemas que confunden incluso a los dispositivos informáticos convencionales más poderosos.

Un enfoque de ingeniería muy prometedor emplea una clase de dispositivos que pueden atrapar electrones individuales dentro de un campo electromagnético. Se puede observar que su giro u orientación en un campo magnético produce un bit cuántico o qubit. Otro enfoque prometedor utiliza la resonancia magnética nuclear, que puede manipular colecciones o conjuntos de moléculas para realizar cálculos y devolver resultados en una forma mensurable. Esta es la técnica que están explorando Chuang y Neil Gershenfeld, un profesor del MIT Media Lab. La gente está ideando todas estas herramientas que harán que una computadora cuántica sea más fácil de hacer, dice Jonathan Dowling, científico principal y supervisor del grupo de tecnologías de computación cuántica en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, CA.

Esta investigación también está comenzando a indicar efectos secundarios a corto plazo, incluidas mejoras en los controles electrónicos para dispositivos de navegación, comunicaciones y medición. Una de las cosas que hago es pensar en formas de utilizar la computación cuántica para hacer mejores artilugios, dice Dowling. Entre sus proyectos se encuentra un giroscopio cuántico que explotaría el comportamiento cuántico de los fotones para hacer que estos dispositivos de navegación cruciales sean más sensibles. La emoción se ha extendido incluso a la comunidad de inteligencia artificial: hay indicios de que la capacidad de los algoritmos cuánticos para probar múltiples posibilidades simultáneamente podría ayudar en la extracción de bases de datos a gran escala, uno de los objetivos prácticos más importantes del campo. Si los sistemas de posicionamiento geográfico, los teléfonos móviles, los motores de búsqueda y los circuitos integrados del futuro son mucho más precisos o fiables que los actuales, puede ser el resultado de los esfuerzos pioneros de la computación cuántica que se están llevando a cabo ahora mismo en laboratorios de todo el mundo.

La industria de la electrónica, naturalmente, se ha dado cuenta. IBM patrocina la investigación en computación cuántica en su Centro de Investigación de Almaden en las afueras de Silicon Valley, donde Chuang realizó su trabajo inicial, así como en su emblemático Centro de Investigación Thomas J. Watson en Yorktown Heights, Nueva York. Hewlett-Packard apoya la investigación en computación cuántica en sus laboratorios de Palo Alto, CA y Bristol, Inglaterra. Y la industria de los semiconductores, que ha alcanzado la mayoría de edad junto con los avances en la electrónica de la computación clásica, está atenta a los desarrollos en el campo, para estar mejor preparados para la era posterior a la Ley de Moore, cuando la miniaturización de los circuitos electrónicos clásicos. choques contra los límites físicos. Los expertos predicen que eso sucederá en algún momento de las próximas dos décadas.

El progreso ha sido lento, pero constante, dice David P. DiVincenzo del laboratorio Watson de IBM. Hace dos o tres años se iniciaron algunos esfuerzos importantes que están comenzando a dar sus frutos.

Realidades múltiples

Cualquiera que sea el enfoque tecnológico, el objetivo de la computación cuántica es aprovechar la calidad misma de la mecánica cuántica que los diseñadores de computadoras clásicas intentan evitar: su pura rareza.

Los circuitos lógicos de las computadoras tradicionales, por ejemplo, funcionan detectando diferencias discretas en el voltaje que pasa por las puertas electrónicas: un voltaje alto indica uno binario y un voltaje bajo indica un cero. La información binaria también se puede representar mediante el giro de un electrón o la polaridad de un fotón. Pero debido a que estas partículas existen en el reino cuántico, que está marcado por distancias infinitesimalmente cortas, velocidades cercanas a la velocidad de la luz y niveles de energía extremadamente bajos, sus estados no siempre se pueden discernir como estrictamente uno o cero. Los electrones y fotones pueden comportarse como ondas en lugar de partículas, parecen ocupar más de un lugar a la vez y simultáneamente exhiben estados incompatibles: el espín de un electrón, por ejemplo, puede ser tanto hacia arriba como hacia abajo, una condición que la mecánica cuántica llama superposición. En términos de computación, el qubit puede ser uno y cero simultáneamente.

El segundo fenómeno importante para la computación cuántica es el entrelazamiento, en el que se crean dos o más partículas con propiedades mutuamente dependientes: cuando, por ejemplo, un solo fotón se convierte en dos partículas complementarias mediante un divisor de haz óptico. La medición de las propiedades de una partícula determina instantáneamente el estado de la otra, incluso si en el momento de la medición las dos están separadas entre sí por distancias galácticas. (Einstein se burló de este fenómeno como una acción espeluznante a distancia).

Durante mucho tiempo se ha creído que estos fenómenos podrían emplearse para resolver problemas computacionales más allá del alcance de la tecnología tradicional. Un solo bit cuántico que puede estar en dos estados a la vez puede hacer el trabajo de dos bits clásicos que operan en paralelo. (Solo cuando se mide u observa la partícula, todas las posibilidades se resuelven en una sola realidad clásica). Dos qubits entrelazados, mientras tanto, pueden evaluar simultáneamente cuatro entradas. Dicho de otra manera, un registro de memoria tradicional con ocho bits puede almacenar solo una de las posibles 28 o 256 palabras digitales, pero un registro cuántico con ocho qubits puede representar y calcular las 256 palabras a la vez.

Estas nociones generales fueron articuladas por Richard Feynman, entre otros, ya en la década de 1980. Sin embargo, durante años nadie tuvo una idea clara de cómo podrían aplicarse a problemas reales. En 1994, el matemático Peter W. Shor de AT&T Bell Labs describió un algoritmo o programa que demostró que una computadora cuántica podía factorizar grandes números exponencialmente más rápido que cualquier método convencional conocido.

El descubrimiento de Shor fue importante porque la factorización es exactamente el tipo de problema que abruma a las computadoras convencionales: a medida que un número crece, los recursos necesarios para factorizarlo se expanden rápidamente. Factorizar el número seis es trivial, pero los expertos estiman que a todas las supercomputadoras del mundo le tomaría más tiempo que la edad del universo conocido para encontrar los factores de un número con 300 dígitos.

Además, la factorización es un problema matemático con aplicaciones del mundo real. La intratabilidad de la factorización de números grandes es el núcleo de la criptografía moderna, que se basa en ella para crear claves irrompibles. El algoritmo de Shor representó tanto una daga en el corazón de códigos irrompibles de estilo antiguo como un poste indicador que apuntaba hacia una nueva clase de códigos verdaderamente irrompibles. De hecho, muchos expertos en computación cuántica predicen que la criptografía cuántica será la primera aplicación comercial que surja de la ciencia incipiente, y ya se han formado al menos tres empresas para comercializar sistemas de comunicaciones seguros basados ​​en factorización cuántica ( ver Criptografía cuántica , TR febrero de 2003 ).

Más allá de los códigos seguros

al mismo tiempo, el trabajo de shor provocó un gran interés en otras posibles aplicaciones de la computación cuántica. Después del primer resultado de Shor, dice el científico informático Wim van Dam de HP Labs, todos estaban muy optimistas de que encontraríamos montones de algoritmos para los que la computación cuántica sería útil. Pero durante la mayor parte de la década de 1990, estas aplicaciones asesinas siguieron siendo esquivas. Durante un tiempo, los científicos temieron que el problema de la factorización fuera el único beneficio de la computación cuántica.

En los últimos dos años, sin embargo, una mejor comprensión de cómo funcionan los qubits ha estimulado una nueva búsqueda de problemas que los qubits son particularmente adecuados para resolver. Edward Farhi, del Centro de Física Teórica del MIT, se encuentra entre los que han realizado ese trabajo. Todo el foco de nuestro interés, dice Farhi, es si tuvieras una computadora cuántica que funciona perfectamente, ¿qué harías con ella?

Farhi y sus colegas han identificado una variedad de cálculos generales, aunque abstractos, que las computadoras cuánticas pueden completar mucho más rápido que las computadoras clásicas. Uno es un problema de navegación en el que un viajero sin mapa ni guía se mueve desde el punto de partida hasta el destino a través de caminos aleatorios que se ramifican desde un número determinado de estaciones de paso. Sin sorprender a nadie, el equipo de Farhi demostró que en tales condiciones, el tiempo que requiere una computadora clásica para encontrar un camino desde el punto A apuntar B se expande exponencialmente a medida que el número de puntos de ramificación entre A y B aumenta. Por el contrario, una computadora cuántica viajaría por todos los caminos posibles a la vez, encontrando de manera confiable su camino a través del laberinto en un marco de tiempo que se expande solo aritméticamente con la complejidad del laberinto.

Estoy un poco satisfecho con esto, aunque es un poco artificial, dice Farhi. Lo que distingue el problema de Farhi del famoso problema del viajante y otros enigmas logísticos es que el viajero no tiene un mapa y, por lo tanto, solo tiene un conocimiento limitado del camino. Pero en el mundo real, es probable que un viajero tenga un mapa que muestre todos los caminos posibles, y el desafío es encontrar la ruta más eficiente. Todo lo que hace una computadora cuántica es recorrer todos los caminos a la vez para llegar rápidamente al destino, pero no producirá una ruta en particular. Por lo tanto, aún no está claro si el trabajo de Farhi apunta a una aplicación práctica. Este es un trampolín hacia un mejor ejemplo, dice Farhi con esperanza. Supongo que se podría decir que estamos buscando un ejemplo del mundo real.

Un uso más probable de la computación cuántica puede ser en búsquedas de bases de datos. En 1996, Lov Grover, un investigador de ciencias físicas en los laboratorios Bell de Lucent Technologies, desarrolló un algoritmo que mostraba cómo la computación cuántica podría acelerar enormemente las búsquedas: una computadora clásica que busca en una guía telefónica con, digamos, un millón de entradas, promediaría unas quinientas mil. intenta encontrar un solo número de teléfono especificado. Una computadora cuántica solo necesitaría mil intentos.

El punto es, dice Farhi, que la aceleración cuántica no es universal. Por tanto, encontrar problemas para los que resulta ventajoso es un arte.

Tramperos Qubit

Mientras farhi y sus colegas están determinando qué se puede hacer con una computadora cuántica, otros están trabajando arduamente en la ingeniería del hardware.

DiVincenzo de IBM dice que una computadora cuántica práctica debe tener cinco capacidades fundamentales: debe proporcionar qubits-partículas o grupos de partículas que puedan aislarse y colocarse en superposición, el estado indeterminado en el que representan tanto unos como ceros. Los operadores deben poder controlar los estados iniciales de los qubits, de forma análoga a ponerlos a cero al comienzo de un cálculo. Los qubits deben permanecer estables en superposición el tiempo suficiente para realizar una operación, desde milisegundos hasta varios segundos. Debe ser posible implementar circuitos de lógica cuántica que correspondan a operadores booleanos como y , o , y no , que forman la base de la arquitectura informática tradicional. En las computadoras clásicas, estas expresiones están incorporadas en circuitos eléctricos. La puerta lógica más simple, la puerta no, convierte un digital entrante en un cero, y viceversa. Para manipular qubits, los circuitos cuánticos deberán emplear técnicas como el control extremadamente preciso de campos magnéticos o pulsos láser.

El requisito final de una computadora cuántica es que haga que los resultados de un cálculo sean accesibles al usuario, a través de, por ejemplo, una lectura visual.

La mayoría de los experimentos de computación cuántica se reducen a esfuerzos que abordan uno o más de los requisitos de DiVincenzo. Probablemente haya media docena de propuestas serias y diez veces más que no lo son, dice Bruce Kane, que se especializa en la ciencia de los dispositivos de un solo electrón en la Universidad de Maryland.

Chuang y Gershenfeld, por ejemplo, usaron resonancia magnética nuclear para medir el giro de los qubits en materiales a granel, un vial que contiene mil millones de millones de moléculas hechas a medida a partir de flúor, carbono, hierro, hidrógeno y oxígeno. Los espines de los núcleos de los cinco átomos de flúor y dos de carbono en cada molécula funcionaron como qubits interactuando para ejecutar el algoritmo de Shor. Aunque el logro de Chuang y Gershenfeld en el control y la medición de los giros de siete qubits ha sido ampliamente aclamado, muchos en el campo creen que la ampliación de este enfoque será extremadamente difícil. La limitación es que cada vez que agregas qubits, la relación señal-ruido disminuye, dice Kane, refiriéndose a la cantidad de información útil, como el exceso de partículas con un giro sobre partículas con un giro diferente, que se puede distinguir de la aleatoria. alteraciones en el material fluorocarbonado a granel.

El mismo Chuang reconoce que su computadora cuántica de siete bits está muy por debajo de la escala necesaria para realizar cálculos significativos. Para que sea práctico, tendremos que llegar a miles, si no cientos de miles, de qubits, dice. Un enfoque rival que utiliza técnicas de ingeniería a nanoescala para construir contenedores de qubit, agrega, puede ser más fácil de escalar.

David J. Wineland y su equipo están estudiando esta alternativa en la División de Tiempo y Frecuencia del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. En Boulder, CO. Están construyendo dispositivos en miniatura utilizando electrodos que aíslan iones en trampas creadas a partir de campos eléctricos. La virtud de este enfoque, dice Wineland, es que las trampas de iones son relativamente fáciles de fabricar, se pueden unir entre sí y pueden contener más de un ión por trampa. Wineland sugiere que una cadena de iones confinados en una sola trampa podría funcionar como una especie de memoria cuántica, y cada qubit adicional expandiría la capacidad de almacenamiento de manera exponencial. El grupo de Wineland ya ha convencido a tales qubits para que permanezcan en un estado de superposición hasta por 10 minutos. Pero una debilidad actual de este esquema es que es difícil transferir información cuántica entre iones retenidos en trampas separadas, una necesidad para los cálculos a gran escala.

Spinoffs cuánticos

La creación de qubits que interactúan y permanecen en superposición el tiempo suficiente para ser útiles preocupará a los investigadores de la computación cuántica durante los próximos años. Aún así, están surgiendo beneficios prácticos a medida que los científicos explotan los fenómenos detrás de la computación cuántica en campos relacionados.

En NIST, cuya misión institucional incluye establecer estándares para la medición del tiempo, el interés de Wineland en la computación cuántica es anterior incluso al algoritmo de Shor. Estábamos empezando a pensar en formas en que el entrelazamiento cuántico podría usarse para mejorar la relación señal / ruido en los relojes atómicos, explica. Sabíamos que había un estado de entrelazamiento cuántico que podría mejorar el reloj, y las ideas de la computación cuántica mostraron cómo hacerlo. En términos generales, los relojes atómicos de hoy funcionan tomando el promedio de lecturas simultáneas de los campos magnéticos oscilantes de más de un millón de átomos de cesio; El entrelazamiento cuántico podría reducir el tiempo necesario para calcular ese promedio y mejorar la precisión al permitir que se tomen muchas lecturas al mismo tiempo.

Dowling, del Laboratorio de Propulsión a Chorro, agrega que el entrelazamiento cuántico puede proporcionar una mejor manera de sincronizar los relojes terrestres con los del espacio. En la actualidad, la sincronización entre la tierra y el espacio, que con mayor frecuencia se realiza por radio, se ve alterada, aunque sea de forma minuciosa, por la refracción atmosférica y otros efectos. Debido a que los fotones entrelazados están vinculados a nivel cuántico, son inmunes a estas perturbaciones físicas. Sería muy importante eliminar esos [efectos], dice Dowling. Sugiere enviar partículas entrelazadas a los sitios para sincronizarlos. La medición de una partícula pondría instantáneamente a la otra en marcha, dice Dowling. Habiendo calibrado sus relojes a las partículas que hacen tictac, los operadores sabrían que los relojes estaban de acuerdo.

Para que nadie piense que los refinamientos a escala cuántica de la medición del tiempo son solo de interés académico, debe tenerse en cuenta que el cronometraje atómico es la base de los sistemas de posicionamiento geográfico, las tecnologías de seguimiento por satélite y las redes de comunicaciones móviles, que están sincronizadas por el segundo. La historia ha demostrado para siempre que cada vez que hay un reloj mejor, se usa, dice Wineland. Es una buena apuesta que la tendencia continuará.

Mientras tanto, los científicos de la industria están buscando formas de iniciar la computación cuántica vinculándola con tecnologías convencionales en las que tienen más experiencia. El año pasado, Hewlett-Packard forjó una alianza de trabajo de $ 2.5 millones con Gershenfeld y Chuang para, como dice el científico senior de HP Labs, Philip Kuekes, combinar nuestra respectiva experiencia. HP está intrigado, por ejemplo, por la posibilidad de transmitir bits cuánticos a través de líneas de fibra óptica ordinarias, miles de kilómetros de los cuales se encuentran instalados pero subutilizados en todo el país. Eso es bastante interesante, dice Kuekes. La transmisión a larga distancia de información cuántica, mejorada por las características del entrelazamiento cuántico, permitiría a los corresponsales compartir claves de código sin temor a verse comprometidos. Eso significa, agrega, que una de las cosas que podrían suceder bastante temprano es la criptografía cuántica.

Aunque, como ha demostrado la investigación, los qubits se pueden transmitir a través de líneas de fibra óptica, las transmisiones no funcionan durante más de decenas de kilómetros a la vez. Enviar qubits a través de continentes u océanos, dice Kuekes, requeriría un sistema de interruptores cuánticos y repetidores análogos a las versiones de estado sólido que ayudan a mover datos a través de Internet. Estos equivaldrían a simples computadoras cuánticas equipadas con software de corrección de errores que podrían compensar la inevitable pérdida de superposición entre muchos de los qubits viajeros. El desarrollo de este software es uno de los principales ejes de la investigación de HP Labs.

En un ejemplo científico del niño como padre del hombre, la investigación aplicada ha arrojado algunos beneficios auxiliares incluso en la ciencia madre de la mecánica cuántica. Resulta que las herramientas necesarias para perfeccionar la computación cuántica también ayudan a demostrar el comportamiento de las partículas que los físicos, hasta ahora, han postulado solo en teoría.

Hay un hermoso fluir hacia el otro lado, dice John Preskill, profesor de física teórica en Caltech. El interés por la computación cuántica ha inspirado mucha ciencia interesante. Estamos muy lejos de un programa intensivo en ingeniería, pero estamos entrando en una nueva era en la física de la materia condensada.

Esto es en gran parte el resultado del requisito de la computación cuántica de que los qubits se controlen y midan con una precisión sin precedentes. La tradición en la física de la materia condensada ha sido realizar experimentos en conjuntos, es decir, grandes cantidades de átomos cuyo comportamiento cuántico se puede identificar estadísticamente, dice Preskill. Normalmente, no se mide el comportamiento de electrones individuales.

En particular, los experimentos de Wineland en el NIST, dice Preskill, han dado a los físicos una ventana incomparable sobre el comportamiento de las partículas individuales. La descomposición de los qubits en ceros o unos clásicos, por ejemplo, es un fenómeno que, en el pasado, los científicos solo podían inferir al observar nubes enteras de electrones o fotones. La señal promedio de las nubes indicaría si algunas partículas habían cambiado su estado cuántico, pero no verías realmente el comportamiento de las partículas individuales, dice Preskill. Realmente es un nuevo tipo de experimento.

Preskill, al igual que otros en el campo, advierte que es necesario responder muchas preguntas y resolver problemas críticos antes de que la computación cuántica pueda avanzar más allá de sus aplicaciones elementales actuales. Si este campo seguirá luciendo tan emocionante en 10 años, no puedo decirlo, admite. Pero por ahora, el campo se siente fresco y nuevo. Una vez más.

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