Las computadoras cuánticas serias finalmente están aquí. ¿Qué vamos a hacer con ellos?

jeremy liebman

Dentro de un pequeño laboratorio en un exuberante campo a unas 50 millas al norte de la ciudad de Nueva York, una elaborada maraña de tubos y dispositivos electrónicos cuelga del techo. Este lío de equipo es una computadora. No cualquier computadora, sino una a punto de superar lo que, quizás, se convierta en uno de los hitos más importantes en la historia del campo.

Las computadoras cuánticas prometen ejecutar cálculos mucho más allá del alcance de cualquier supercomputadora convencional. Podrían revolucionar el descubrimiento de nuevos materiales al permitir simular el comportamiento de la materia hasta el nivel atómico. O podrían alterar la criptografía y la seguridad descifrando códigos que de otro modo serían invencibles. Incluso existe la esperanza de que sobrecarguen la inteligencia artificial procesando los datos de manera más eficiente.

Esta historia fue parte de nuestra edición de marzo de 2018

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Sin embargo, solo ahora, después de décadas de progreso gradual, los investigadores finalmente están cerca de construir computadoras cuánticas lo suficientemente poderosas como para hacer cosas que las computadoras convencionales no pueden. Es un hito algo teatralmente denominado supremacía cuántica. Google ha liderado la carga hacia este hito, mientras que Intel y Microsoft también tienen importantes esfuerzos cuánticos. Y luego están las nuevas empresas bien financiadas, como Rigetti Computing, IonQ y Quantum Circuits.

¡La naturaleza es cuántica, maldita sea! Entonces, si queremos simularlo, necesitamos una computadora cuántica.

Sin embargo, ningún otro competidor puede igualar el pedigrí de IBM en esta área. Hace 50 años, la empresa produjo avances en la ciencia de los materiales que sentaron las bases para la revolución informática. Es por eso que, en octubre pasado, me encontré en el Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM para tratar de responder estas preguntas: ¿Para qué, si es que sirve para algo, será buena una computadora cuántica? ¿Y se puede construir uno práctico y confiable?

Por qué creemos que necesitamos una computadora cuántica

El centro de investigación, ubicado en Yorktown Heights, se parece un poco a un platillo volador imaginado en 1961. Fue diseñado por el arquitecto neofuturista Eero Saarinen y construido durante el apogeo de IBM como fabricante de grandes máquinas comerciales de mainframe. IBM era la compañía de computadoras más grande del mundo, y una década después de la construcción del centro de investigación se había convertido en la quinta compañía más grande del mundo de cualquier tipo, solo detrás de Ford y General Electric.

Si bien los pasillos del edificio dan al campo, el diseño es tal que ninguna de las oficinas del interior tiene ventanas. Fue en una de estas habitaciones enclaustradas donde conocí a Charles Bennett. Ahora en sus 70 años, tiene grandes patillas blancas, usa calcetines negros con sandalias e incluso luce un protector de bolsillo con bolígrafos. Rodeado de viejos monitores de computadora, modelos de química y, curiosamente, una pequeña bola de discoteca, recordó el nacimiento de la computación cuántica como si fuera ayer.

Charles Bennett de IBM Research es uno de los padres fundadores de la teoría de la información cuántica. Su trabajo en IBM ayudó a crear una base teórica para la computación cuántica. bartek sadowski

Cuando Bennett se unió a IBM en 1972, la física cuántica ya tenía medio siglo de antigüedad, pero la computación aún se basaba en la física clásica y la teoría matemática de la información que Claude Shannon había desarrollado en el MIT en la década de 1950. Fue Shannon quien definió la cantidad de información en términos del número de bits (término que popularizó pero no acuñó) necesarios para almacenarla. Esos pedacitos, los 0 arena 1 s de código binario, son la base de toda la computación convencional.

Un año después de llegar a Yorktown Heights, Bennett ayudó a sentar las bases de una teoría de la información cuántica que desafiaría todo eso. Se basa en explotar el comportamiento peculiar de los objetos a escala atómica. Con ese tamaño, una partícula puede existir superpuesta en muchos estados (por ejemplo, muchas posiciones diferentes) a la vez. Dos partículas también pueden exhibir entrelazamiento, de modo que cambiar el estado de una puede afectar instantáneamente a la otra.

Bennett y otros se dieron cuenta de que algunos tipos de cálculos que consumen mucho tiempo, o incluso son imposibles, se pueden realizar de manera eficiente con la ayuda de los fenómenos cuánticos. Una computadora cuántica almacenaría información en bits cuánticos o qubits. Los qubits pueden existir en superposiciones de 1 y 0 , y el entrelazamiento y un truco llamado interferencia se pueden usar para encontrar la solución a un cálculo sobre un número exponencialmente grande de estados. Es molestamente difícil comparar computadoras cuánticas y clásicas, pero en términos generales, una computadora cuántica con solo unos pocos cientos de qubits podría realizar más cálculos simultáneamente que átomos en el universo conocido.

En el verano de 1981, IBM y el MIT organizaron un evento histórico llamado Primera Conferencia sobre Física de la Computación. Tuvo lugar en Endicott House, una mansión de estilo francés no muy lejos del campus del MIT.

En una foto que Bennett tomó durante la conferencia, varias de las figuras más influyentes de la historia de la computación y la física cuántica se pueden ver en el césped, incluido Konrad Zuse, quien desarrolló la primera computadora programable, y Richard Feynman, un importante colaborador de Teoría cuántica. Feynman pronunció el discurso de apertura de la conferencia, en el que planteó la idea de la computación utilizando efectos cuánticos. El mayor impulso que obtuvo la teoría de la información cuántica fue de Feynman, me dijo Bennett. Él dijo: '¡La naturaleza es cuántica, maldita sea! Entonces, si queremos simularlo, necesitamos una computadora cuántica”.

La computadora cuántica de IBM, una de las más prometedoras que existen, se encuentra justo al final del pasillo de la oficina de Bennett. La máquina está diseñada para crear y manipular el elemento esencial en una computadora cuántica: los qubits que almacenan información.

Este laboratorio de IBM alberga máquinas cuánticas conectadas a la nube. jeremy liebman

La brecha entre el sueño y la realidad

La máquina de IBM explota los fenómenos cuánticos que ocurren en los materiales superconductores. Por ejemplo, a veces la corriente fluirá en sentido horario y antihorario al mismo tiempo. La computadora de IBM utiliza circuitos superconductores en los que dos estados distintos de energía electromagnética forman un qubit.

El enfoque superconductor tiene ventajas clave. El hardware se puede fabricar usando métodos de fabricación bien establecidos y se puede usar una computadora convencional para controlar el sistema. Los qubits en un circuito superconductor también son más fáciles de manipular y menos delicados que los fotones o iones individuales.

Dentro del laboratorio cuántico de IBM, los ingenieros están trabajando en una versión de la computadora con 50 qubits. Puede ejecutar una simulación de una computadora cuántica simple en una computadora normal, pero alrededor de 50 qubits se vuelve casi imposible. Eso significa que, en teoría, IBM se está acercando al punto en el que una computadora cuántica puede resolver problemas que una computadora clásica no puede: en otras palabras, la supremacía cuántica.

Pero como le dirán los investigadores de IBM, la supremacía cuántica es un concepto esquivo. Necesitaría los 50 qubits para funcionar perfectamente, cuando en realidad las computadoras cuánticas están plagadas de errores que deben corregirse. También es endiabladamente difícil mantener qubits durante un período de tiempo prolongado; tienden a perder la coherencia, oa perder su delicada naturaleza cuántica, de la misma manera que un anillo de humo se rompe ante la menor corriente de aire. Y cuantos más qubits, más difíciles se vuelven ambos desafíos.

Si tuviera 50 o 100 qubits y realmente funcionaran lo suficientemente bien, y se corrigieran completamente los errores, podría hacer cálculos insondables que no se pueden replicar en ninguna máquina clásica, ni ahora ni nunca, dice Robert Schoelkopf, profesor y fundador de Yale. de una empresa llamada Quantum Circuits. La otra cara de la moneda cuántica es que hay formas exponenciales de que salga mal.

Los chips dentro de la computadora cuántica de IBM (en la parte inferior) se enfrían a 15 milikelvin. jeremy liebman

Otra razón para la precaución es que no es obvio cuán útil sería incluso una computadora cuántica que funcione perfectamente. No acelera simplemente cualquier tarea que le hagas; de hecho, para muchos cálculos, en realidad sería más lento que las máquinas clásicas. Hasta ahora, solo se han ideado un puñado de algoritmos en los que una computadora cuántica claramente tendría una ventaja. E incluso para esos, esa ventaja podría ser de corta duración. El algoritmo cuántico más famoso, desarrollado por Peter Shor en el MIT, sirve para encontrar los factores primos de un número entero. Muchos esquemas criptográficos comunes se basan en el hecho de que esto es difícil de hacer para una computadora convencional. Pero la criptografía podría adaptarse, creando nuevos tipos de códigos que no dependan de la factorización.

Lo que impulsa la exageración es darse cuenta de que la computación cuántica es realmente real. Ya no es el sueño de un físico, es la pesadilla de un ingeniero.

Es por eso que, incluso cuando se acercan al hito de los 50 qubits, los propios investigadores de IBM están ansiosos por disipar la exageración en torno a él. En una mesa en el pasillo que da al exuberante césped exterior, me encontré con Jay Gambetta, un australiano alto y tranquilo que investiga algoritmos cuánticos y posibles aplicaciones para el hardware de IBM. Estamos en esta etapa única, dijo, eligiendo sus palabras con cuidado. Tenemos este dispositivo que es más complicado de lo que puedes simular en una computadora clásica, pero aún no es controlable con la precisión que podrías hacer con los algoritmos que sabes hacer.

Lo que da esperanza a los IBMers es que incluso una computadora cuántica imperfecta podría ser útil.

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Gambetta y otros investigadores se han centrado en una aplicación que Feynman imaginó en 1981. Las reacciones químicas y las propiedades de los materiales están determinadas por las interacciones entre los átomos y las moléculas. Esas interacciones están gobernadas por fenómenos cuánticos. Una computadora cuántica puede, al menos en teoría, modelarlos de una manera que uno convencional no puede.

El año pasado, Gambetta y sus colegas de IBM utilizaron una máquina de siete qubits para simular la estructura precisa del hidruro de berilio. Con solo tres átomos, es la molécula más compleja jamás modelada con un sistema cuántico. En última instancia, los investigadores podrían usar computadoras cuánticas para diseñar células solares más eficientes, medicamentos más efectivos o catalizadores que conviertan la luz solar en combustibles limpios.

Esos objetivos están muy lejos. Pero, dice Gambetta, puede ser posible obtener resultados valiosos de una máquina cuántica propensa a errores emparejada con una computadora clásica.

Del sueño de un físico a la pesadilla de un ingeniero

Lo que impulsa la exageración es darse cuenta de que la computación cuántica es realmente real, dice Isaac Chuang, un profesor delgado y de voz suave del MIT. Ya no es el sueño de un físico, es la pesadilla de un ingeniero.

Chuang lideró el desarrollo de algunas de las primeras computadoras cuánticas, trabajando en IBM en Almaden, California, a fines de la década de 1990 y principios de la de 2000. Aunque ya no está trabajando en ellos, cree que estamos al comienzo de algo muy grande: que la computación cuántica finalmente jugará un papel en la inteligencia artificial.

Pero también sospecha que la revolución realmente no comenzará hasta que una nueva generación de estudiantes y piratas informáticos jueguen con máquinas prácticas. Las computadoras cuánticas requieren no solo diferentes lenguajes de programación, sino también una forma fundamentalmente diferente de pensar acerca de lo que es la programación. Como dice Gambetta: Realmente no sabemos cuál es el equivalente de 'Hola, mundo' en una computadora cuántica.

Estamos empezando a averiguarlo. En 2016, IBM conectó una pequeña computadora cuántica a la nube. Usando un kit de herramientas de programación llamado QISKit, puede ejecutar programas simples en él; miles de personas, desde investigadores académicos hasta escolares, han creado programas QISKit que ejecutan algoritmos cuánticos básicos. Ahora Google y otras empresas también están poniendo en línea sus nacientes computadoras cuánticas. No se puede hacer mucho con ellos, pero al menos les dan a las personas fuera de los laboratorios líderes una idea de lo que puede venir.

La comunidad de startups también se está emocionando. Poco tiempo después de ver la computadora cuántica de IBM, fui a la escuela de negocios de la Universidad de Toronto para participar en una competencia de lanzamiento para nuevas empresas cuánticas. Equipos de emprendedores se levantaron nerviosos y presentaron sus ideas a un grupo de profesores e inversores. Una empresa esperaba utilizar computadoras cuánticas para modelar los mercados financieros. Otro planeó que diseñaran nuevas proteínas. Otro quería construir sistemas de IA más avanzados. Lo que no se reconoció en la sala fue que cada equipo proponía un negocio basado en una tecnología tan revolucionaria que apenas existe. Pocos parecían intimidados por ese hecho.

Este entusiasmo podría agriarse si las primeras computadoras cuánticas tardan en encontrar un uso práctico. La mejor conjetura de aquellos que realmente conocen las dificultades, gente como Bennett y Chuang, es que las primeras máquinas útiles aún están a varios años de distancia. Y eso suponiendo que el problema de administrar y manipular una gran colección de qubits no resulte ser intratable en última instancia.

Aún así, los expertos mantienen la esperanza. Cuando le pregunté cómo sería el mundo cuando mi hijo de dos años crezca, Chuang, quien aprendió a usar computadoras jugando con microchips, respondió con una sonrisa. Tal vez su hijo tenga un kit para construir una computadora cuántica, dijo.

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