Google revela un plan para la supremacía cuántica

La gran promesa de la computación cuántica es la capacidad de realizar cálculos de una complejidad alucinante que van mucho más allá de las capacidades de las computadoras convencionales. Los físicos saben desde hace tiempo que una computadora cuántica con solo 50 qubits podría superar incluso a las supercomputadoras más poderosas del mundo.

Pero superar los límites de la computación convencional, lograr la supremacía cuántica, como la llaman los físicos, ha resultado ser más difícil de lo que todos esperaban. Los estados cuánticos son objetos delicados: estornuda y se desvanecen. Debido a esto, los físicos se han empantanado con el desafío práctico de aislar las computadoras cuánticas y su maquinaria de procesamiento cuántico del mundo exterior. Como resultado, la supremacía cuántica parece tan lejana como siempre.

Pero puede haber otra forma de demostrar la supremacía cuántica que no requiera una computadora cuántica de propósito general que pueda ejecutar varios algoritmos cuánticos. En cambio, los físicos han comenzado a jugar con sistemas cuánticos que solo pueden hacer una cosa. Si pueden demostrar que esto está más allá de la capacidad de cualquier computadora convencional, entonces habrán demostrado la supremacía cuántica por primera vez. Pero cómo se puede hacer esto está lejos de ser claro.

Hoy, Charles Neill de la Universidad de California Santa Bárbara y Pedram Roushan de Google dicen que saben cómo se puede lograr la supremacía cuántica y han demostrado con éxito una versión de prueba de principio de la máquina por primera vez. El trabajo plantea la posibilidad de que la primera demostración de la supremacía cuántica pueda ser en solo unos meses.

Primero algunos antecedentes. La gran ventaja de los qubits sobre los bits ordinarios es que pueden existir en una superposición de estados. Entonces, mientras que un bit ordinario puede ser un 1 o un 0, un qubit puede ser un 1 y un 0 al mismo tiempo.

Eso significa que dos qubits pueden representar cuatro números al mismo tiempo, tres qubits pueden representar ocho números y nueve qubits, 512 números simultáneamente. En otras palabras, su capacidad aumenta exponencialmente.

Es por eso que no se necesitan muchos qubits para superar a las computadoras convencionales. Solo 50 qubits pueden representar 10,000,000,000,000,000 números. Una computadora clásica requeriría una memoria a escala de petabytes para almacenar ese número.

Entonces, una forma de lograr la supremacía cuántica es crear un sistema que pueda admitir 49 qubits en una superposición de estados. Este sistema no necesita realizar ningún cálculo complejo, solo necesita poder explorar todo el espacio de una superposición de 49 qubits de manera confiable. Entonces, el objetivo de Neill y Roushan es crear una superposición de 49 qubits.

Es más fácil decirlo que hacerlo. Pero el trabajo que anuncian hoy es una demostración de prueba de principio.

Su enfoque es directo. Los qubits son objetos cuánticos que pueden existir en dos estados al mismo tiempo, y hay muchas formas de fabricarlos. Por ejemplo, los fotones pueden polarizarse tanto vertical como horizontalmente al mismo tiempo, los núcleos atómicos pueden girar con su eje hacia arriba y hacia abajo al mismo tiempo, los electrones pueden viajar a lo largo de dos caminos al mismo tiempo. Los físicos están experimentando con todos estos sistemas para la computación cuántica.

Sin embargo, Neill y Roushan han elegido una ruta diferente. Su sistema cuántico es un qubit superconductor. Esto es esencialmente un bucle de metal enfriado a baja temperatura. Establezca una corriente que fluya a través de este bucle y fluirá para siempre, un fenómeno cuántico conocido como superconductividad.

Pero esta naturaleza cuántica conduce a un buen truco: la corriente puede fluir en una dirección y en la otra al mismo tiempo. Y esto es lo que le permite actuar como un qubit que puede representar simultáneamente un 0 y un 1.

La gran ventaja de los qubits superconductores es que son relativamente fáciles de controlar y medir. También se pueden vincular entre sí cuando varios bucles se encuentran uno al lado del otro en un chip. Esta vinculación de vecinos es más difícil y requiere otro truco.

El flujo de corriente en una dirección u otra es solo una configuración de baja energía. Ponga más energía y otros estados también son posibles. Son estos estados de energía superiores los que pueden interactuar entre sí, creando superposiciones más grandes. De esta forma, los bucles vecinos pueden compartir el mismo estado, mucho más complejo.

El experimento de prueba de principio que Neill, Roushan y compañía han logrado es hacer un chip con nueve bucles vecinos y mostrar que los qubits superconductores que admiten pueden representar 512 números simultáneamente.

Eso no está ni cerca de la cantidad de qubits necesarios para la supremacía cuántica, pero el experimento ofrece pistas alentadoras de que esto será posible.

El gran temor entre los físicos es que no son solo los números sino también los errores los que aumentan exponencialmente en estos sistemas cuánticos. Si los errores aumentan demasiado rápido, inundarán el sistema, haciendo imposible la supremacía cuántica.

El resultado clave de este experimento es mostrar que los errores no aumentan rápidamente en estos chips superconductores. En cambio, el equipo mostró que los errores aumentan lentamente de una manera que debería permitir la superposición significativa de hasta 60 qubits. Estos resultados proporcionan evidencia prometedora de que la supremacía cuántica puede lograrse utilizando la tecnología existente, dicen los investigadores.

Es un trabajo interesante. Sugiere claramente que la supremacía cuántica debería ser posible con un chip que contenga 50 bucles superconductores en lugar de solo nueve. Hacer un chip de este tipo debería ser sencillo; de hecho, es difícil imaginar que el equipo no esté creando uno en este momento.

Pero hay una advertencia importante. Un chip de 50 qubits solo será posible si los errores continúan escalando de la forma que ha demostrado el equipo. Y eso plantea una pregunta importante. El equipo ha demostrado cómo los errores aumentan a medida que aumenta el número de qubits de cinco a nueve. Pero, ¿escalarán los errores de la misma manera que los qubits aumentan de nueve a 50?

Si no, la supremacía cuántica aún está muy lejos. Pero si lo hacen, este equipo esperará reclamar la supremacía cuántica en los próximos meses.

Esa es una pregunta que Neill, Roushan y compañía trabajarán arduamente para responder en este momento. Estaremos ansiosos por informar sus resultados.

Ref: arxiv.org/abs/1709.06678 : Un modelo para demostrar la supremacía cuántica con Qubits superconductores

esconder