La clave para tener computadoras cuánticas más poderosas podría ser construirlas como Legos

Módulos de aluminio de Quantum Circuits. Cortesía de Quantum Circuits

Visite cualquier laboratorio universitario o de inicio donde se construyan computadoras cuánticas, y es como entrar en un túnel del tiempo a la década de 1960: el apogeo de la computación central, cuando pequeños ejércitos de técnicos ministraban máquinas que podían llenar habitaciones enteras.

Se necesita todo tipo de equipos, desde láseres súper precisos hasta refrigeradores superenfriados, para aprovechar las fuerzas exóticas de la mecánica cuántica para la tarea de procesar datos. Los cables que conectan varias piezas de equipo forman espaguetis multicolores que se derraman por los pisos y atraviesan los techos. Físicos e ingenieros pululan alrededor de bancos de pantallas, monitoreando y ajustando constantemente el rendimiento de las computadoras.

Los mainframes marcaron el comienzo de la revolución de la información, y la esperanza es que las computadoras cuánticas también cambien las reglas del juego. Su inmenso poder de procesamiento promete superar incluso al de las supercomputadoras convencionales más capaces, lo que podría generar avances en todo, desde el descubrimiento de fármacos hasta la ciencia de los materiales y la inteligencia artificial.

El gran desafío al que se enfrenta la naciente industria es crear máquinas que puedan ampliarse de forma fiable y relativamente económica. Generar y administrar los bits cuánticos, o qubits, que transportan información en las computadoras es difícil. Incluso las vibraciones o los cambios de temperatura más pequeños, fenómenos conocidos como ruido en la jerga cuántica, pueden hacer que los cúbits pierdan su frágil estado cuántico. Y cuando eso sucede, los errores se filtran en los cálculos.

La respuesta más común ha sido crear computadoras cuánticas con tantos qubits como sea posible en un solo chip. Si algunos qubits fallan, los algoritmos desarrollados para detectar y minimizar errores pueden recurrir a otros que tengan copias de la información como copias de seguridad. La estrategia, que ha sido defendida por grandes empresas como IBM y Google, así como por nuevas empresas de alto perfil como Rigetti Computing, ha generado máquinas complejas que evocan esos mainframes del tamaño de una habitación.

El problema es que las tasas de error son extremas. Los chips más grandes de la actualidad tienen menos de cien qubits, pero es posible que se necesiten miles o incluso decenas de miles para producir el mismo resultado que un único qubit sin errores. Cada qubit necesita su propio cableado de control, por lo que cuanto más se agregan, más complejo se vuelve el sistema para administrar. También se necesitarán más equipos para monitorear y administrar los recuentos de qubits que se expanden rápidamente. Eso podría aumentar drásticamente la complejidad y el costo de las computadoras, lo que limitaría su atractivo.

Robert Schoelkopf, profesor de Yale, cree que hay una mejor manera de avanzar. En lugar de intentar meter cada vez más qubits en un solo chip, Quantum Circuits, una startup que cofundó en 2017, está desarrollando lo que equivale a mini máquinas cuánticas. Estos se pueden conectar en red a través de interfaces especializadas, un poco como ladrillos Lego de muy alta tecnología. Schoelkopf dice que este enfoque ayuda a producir tasas de error más bajas, por lo que se necesitarán menos qubits y, por lo tanto, menos hardware de soporte para crear poderosas máquinas cuánticas.

Robert Schoelkopf en el laboratorio de la oficina de New Haven de Quantum Circuits. julie bidwell

Los escépticos señalan que, a diferencia de rivales como IBM, Quantum Circuits aún tiene que revelar públicamente una computadora que funcione. Pero si puede ofrecer uno que esté a la altura de las afirmaciones de Schoelkopf, podría ayudar a sacar la computación cuántica de los laboratorios y llevarla al mundo comercial mucho más rápido.

El impulso para crear qubits más duraderos

La idea de unir bloques de construcción cuánticos más pequeños para crear computadoras más grandes ha existido durante años, pero nunca se popularizó. Todavía no se ha construido una gran máquina tolerante a fallas utilizando el enfoque modular, explica Jerry Chow, quien dirige el equipo de computación cuántica experimental en IBM Research. Aún así, agrega Chow, si alguien puede lograrlo, serán Schoelkopf y sus colegas.

Después de formarse como ingeniero y físico, incluidos períodos en la NASA y Caltech, Schoelkopf se unió a la facultad de Yale en 1998 y comenzó a trabajar en computación cuántica. Él y sus colegas fueron pioneros en el uso de circuitos superconductores en un chip para crear cúbits. Al bombear corriente eléctrica a través de microchips especializados que se encuentran dentro de refrigeradores que son más fríos que el espacio profundo, pueden engatusar a las partículas a los estados cuánticos que son clave para el inmenso poder de las computadoras.

A diferencia de los bits de las computadoras ordinarias, que son flujos de pulsos eléctricos u ópticos que representan un 1 o un 0 , los qubits son partículas subatómicas como fotones o electrones que pueden estar en una especie de combinación de ambos 1 y 0 —un fenómeno conocido como superposición. Los qubits también pueden enredarse entre sí, lo que significa que un cambio en el estado de uno puede cambiar instantáneamente el estado de los demás, incluso cuando no hay una conexión física entre ellos.

Un sistema de vacío utilizado para crear circuitos superconductores. julie bidwell

Hay más antecedentes sobre esto en nuestro explicador de computación cuántica. Sin embargo, lo más importante que debe saber es que esto permite que los qubits actúen como si estuvieran realizando muchos cálculos simultáneamente que una computadora normal tendría que realizar secuencialmente. Lo que significa que agregar qubits adicionales a una máquina cuántica aumenta exponencialmente su capacidad de procesamiento.

Schoelkopf también ha ganado aplausos por su trabajo sobre el problema del ruido. Los tiempos de coherencia de los qubits, es decir, cuánto tiempo pueden ejecutar los cálculos antes de que el ruido interrumpa su delicado estado cuántico, han mejorado en un factor de 10 aproximadamente cada tres años. (Los investigadores han denominado a esta tendencia Ley de Schoelkopf en un guiño a la Ley de Moore de la computación clásica, que sostiene que la cantidad de transistores en un chip de silicio se duplica aproximadamente cada dos años). Brendan Dickinson de Canaan Partners, uno de los inversionistas de Quantum Circuits, dice que Schoelkopf El impresionante historial en qubits superconductores es una de las principales razones por las que decidió respaldar el negocio, que hasta ahora ha recaudado $ 18 millones.

Irónicamente, algunos de los estudiantes asesorados por Schoelkopf y sus cofundadores de Yale, Michel Devoret y Luigi Frunzio, ahora están en empresas como IBM y Rigetti que compiten con su startup. Schoelkopf está claramente orgulloso de la diáspora cuántica que ha salido del laboratorio de Yale. Me dijo que hace unos años había examinado todas las organizaciones de todo el mundo que trabajaban en qubits superconductores y descubrió que más de la mitad de ellas estaban dirigidas por personas que habían pasado un tiempo allí. Pero también cree que se ha establecido una especie de pensamiento grupal.

Las ventajas de las máquinas modulares

La mayoría de los investigadores que trabajan en máquinas superconductoras se enfocan en crear tantos qubits como sea posible en un solo chip. El enfoque de Quantum Circuits es muy diferente de ese estándar. El núcleo de su sistema es un pequeño módulo de aluminio que contiene circuitos superconductores hechos con chips de silicio o zafiro. Cada módulo contiene lo que asciende a cinco a 10 qubits.

Para interconectar estos módulos en computadoras más grandes, la compañía usa lo que suena como algo fuera de Star Trek —teletransportación cuántica. Es un método que se ha desarrollado para enviar datos a través de cosas como redes de telecomunicaciones. La idea básica implica entrelazar un fotón de microondas en un módulo con un fotón en otro y luego usar el enlace entre ellos como un puente para transferir datos. (También tenemos un explicador de teletransportación cuántica). Quantum Circuits ha utilizado este enfoque para teletransportar una versión cuántica de una puerta lógica entre sus módulos.

Schoelkopf dice que hay varias razones por las que los módulos de red juntos son mejores que meter tantos qubits como sea posible en un solo chip. La escala más pequeña de cada unidad facilita el control del sistema y la aplicación de técnicas de corrección de errores. Además, si algunos qubits se estropean en un módulo individual, la unidad se puede quitar o aislar sin afectar a otros conectados en red con ella; si están todos en un solo chip, es posible que se deba desechar todo.

Una oblea utilizada para crear qubits en las computadoras de Quantum Circuits. julie bidwell

De cara al futuro, las máquinas modulares de Quantum Circuits seguirán necesitando algunos de los mismos equipos que los rivales, incluidos los refrigeradores de sobreenfriamiento y el equipo de monitoreo. Pero a medida que escalan, no deberían requerir ni cerca del mismo tipo de cableado de control y otra parafernalia necesaria para dominar qubits individuales. Entonces, si bien los dispositivos rivales podrían parecerse cada vez más a esos primeros mainframes masivos, las máquinas de la startup deberían seguir siendo similares a las más delgadas que aparecieron a medida que la computación convencional avanzó en la década de 1970 y más allá.

Al escuchar a Schoelkopf hablar sobre la tecnología, una imagen se deslizó en mi cabeza: mis hijos jugando con ladrillos de plástico Lego cuando eran jóvenes, uniéndolos para construir castillos y fuertes.

Cuando sugerí la comparación, Schoelkopf inicialmente se mostró un poco cauteloso, pero luego se entusiasmó bastante. En general, todos los dispositivos complejos que conozco, dijo, se basan en tener el equivalente de los bloques de Lego, y tú defines las interfaces y cómo encajan entre sí... [Los ladrillos de Lego] son ​​realmente baratos. Se pueden producir en masa. Y siempre se conectan de la manera correcta.

Los módulos cuánticos de Schoelkopf tienen otra ventaja clave. Cada uno contiene una cavidad tridimensional que atrapa varios fotones de microondas. Estos forman lo que se conoce como qudits, y son como qubits, excepto que almacenan más información. Mientras que un qubit representa una combinación de 1 y 0 , un qudit puede existir en más de dos estados, digamos, 0 , 1 , y 2 al mismo tiempo. Las computadoras cuánticas con qudits pueden procesar aún más información simultáneamente.

Científicos han estado experimentando con qudits durante algún tiempo, pero son difíciles de generar y controlar. Schoelkopf dice que Quantum Circuits ha encontrado formas de crear circuitos de alta calidad de forma consistente y de reducir significativamente los errores. (La compañía afirma que ha logrado tiempos de coherencia usando sus cavidades que son de diez a 100 veces más largas que las de los qubits superconductores, lo que facilita la corrección de errores). Todavía se necesitan algunos qubits para realizar operaciones en los qudits y extraer información de ellos. , pero su enfoque requiere menos de estos qubits. Eso, a su vez, significa que se necesita menos hardware en general.

La computación cuántica es un campo abierto

Interior de un refrigerador de dilución de Quantum Circuits. Cortesía de Quantum Circuits

El enfoque de Quantum Circuits suena convincente, pero Schoelkopf se niega a decir exactamente cuándo la compañía presentará una computadora en pleno funcionamiento. Tampoco revelará cuántos qubits y qudits su equipo ha logrado trabajar juntos en total.

Cuanto más tarde, más corre el riesgo de que su startup sea eclipsada por sus rivales. IBM y Rigetti ya están brindando a las empresas e investigadores acceso a sus computadoras cuánticas a través de la nube informática, y se rumorea que Google está cerca de ser el primero en lograr la supremacía cuántica, o el punto en el que una computadora cuántica puede realizar una tarea fuera de su alcance. incluso de la supercomputadora convencional más poderosa.

Schoelkopf dice que las organizaciones que quieran probar algoritmos en el sistema de Quantum Circuits podrán hacerlo muy pronto, y que en algún momento conectará máquinas a la nube como lo han hecho IBM y Rigetti. La puesta en marcha no es solo construir computadoras; también está trabajando en un software que ayudará a los usuarios a aprovechar al máximo el hardware subyacente.

Además, es temprano. Los algoritmos cuánticos que se ejecutan en servicios en la nube como los de IBM en la actualidad siguen siendo bastante básicos, señala Schoelkopf. El campo está muy abierto para las computadoras cuánticas y el software asociado que realmente puede marcar la diferencia en una amplia gama de áreas, desde aplicaciones de inteligencia artificial turboalimentadas hasta el modelado de moléculas para químicos.

Quedan muchas preguntas. ¿Podrá Quantum Circuits seguir produciendo qubits y qudits robustos a medida que construye máquinas mucho más grandes? ¿Puede lograr que su método de teletransportación cuántica funcione de manera confiable al conectar más módulos entre sí? ¿Y sus sistemas, cuando se implementen para la venta, serán más rentables para operar que los de los rivales? Todavía quedan por delante importantes desafíos de física e ingeniería. Pero si Schoelkopf y sus colegas pueden superarlos, podrían demostrar que la clave para crecer mucho en la computación cuántica es pensar en pequeño.

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