Montando D-Wave

Las computadoras procesan la información dividiéndola en los fragmentos más pequeños posibles, llamados bits. Un bit representa la distinción entre dos posibilidades: Verdadero y Falso, Sí y No, o, como se representan convencionalmente, 1 y 0.

Computadora genial: Un dispositivo conocido como refrigerador de dilución (que se muestra arriba) se usa para inicializar la computadora cuántica de D Wave, llevándola a su estado fundamental enfriándola hasta cerca del cero absoluto.

El punto final de la Ley de Moore (que sostiene que las computadoras se multiplican por dos cada año y medio aproximadamente) es una computadora tan poderosa que usa átomos individuales para almacenar bits de información: un átomo, un bit. Si pudiéramos trabajar a escalas subatómicas y almacenar bits en electrones o quarks, podríamos ir más allá. Pero sigamos con lo que saber podemos hacer.

Esta historia fue parte de nuestro número de mayo de 2008

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Si las tasas actuales de miniaturización persisten, su PC almacenará un bit en un átomo en algún momento alrededor de 2050. Pero es natural preguntarse si podemos, de hecho, lograr una correspondencia bit-átomo. Sorprendentemente, ya existen en el laboratorio prototipos de computadoras que almacenan bits en átomos individuales. Estas computadoras se denominan computadoras cuánticas porque almacenan y procesan información a escalas en las que prevalecen las leyes de la mecánica cuántica.

La mecánica cuántica es la rama de la física que gobierna lo que sucede a escalas muy pequeñas. Sus principios son famosos por su rareza, por lo que es natural que las computadoras cuánticas también lo sean. Una computadora electrónica convencional, en la que cada bit registra 0 o 1, está esclavizada por la lógica binaria; pero un bit cuántico, o qubit, puede registrar 0 y 1 al mismo tiempo, un fenómeno conocido como superposición. ¿Qué significa que un bit cuántico registre simultáneamente 0 y 1? La respuesta precisa es que nadie lo sabe con certeza. La naturaleza contradictoria de la mecánica cuántica impide que nuestras mentes comprendan cómo se comportan los bits cuánticos. No obstante, debido a que las leyes de la mecánica cuántica están formuladas con precisión, podemos predecir lo que harán las computadoras cuánticas.

Y lo que hacen es extraordinario. Dado que un qubit puede representar simultáneamente dos valores diferentes, dos qubits pueden representar simultáneamente cuatro (00, 01, 10 y 11, en notación binaria); cuatro qubits pueden representar 16 valores; ocho qubits 256 valores; y así. Incluso una computadora cuántica relativamente pequeña, una que tuviera unas pocas decenas de miles de qubits, podría considerar tantos valores diferentes a la vez que podría romper todos los códigos conocidos que se usan comúnmente para la comunicación segura en Internet. Las computadoras cuánticas también pueden usarse para búsquedas más rápidas en bases de datos o para abordar problemas difíciles que las computadoras clásicas no pueden resolver con todo el tiempo del universo. Mis colegas del MIT y yo hemos estado construyendo computadoras cuánticas simples y ejecutando algoritmos cuánticos desde 1996, al igual que otros científicos de todo el mundo. Las computadoras cuánticas funcionan según lo prometido. Si se pueden ampliar, a miles o decenas de miles de qubits de su tamaño actual de una docena más o menos, ¡cuidado!

Dado su poder para interceptar e interrumpir las comunicaciones secretas, no es sorprendente que las computadoras cuánticas reciban la atención de varias agencias gubernamentales de EE. UU. La Agencia de Seguridad Nacional, que apoya la investigación en computación cuántica, declara con franqueza que, dado su interés en mantener seguras las comunicaciones del gobierno de EE. UU., Es reacia a que se construyan computadoras cuánticas. Por otro lado, si se pueden construir, entonces quiere tener el primero.

La computación cuántica también ha atraído interés comercial. Al ritmo actual de progreso, las grandes computadoras cuánticas que descifran códigos están al menos a una década de distancia, por lo que el sector privado se está enfocando en dos tipos de computación cuántica que son más fáciles. El primer tipo no trivial de computación cuántica fue propuesto por el premio Nobel Richard Feynman en 1981. Feynman estaba estudiando cómo se podían simular los procesos cuánticos en la física de altas energías. Señaló que las computadoras clásicas eran malas en el trabajo, por la misma razón por la que los seres humanos encuentran la mecánica cuántica contraria a la intuición: no hay una manera fácil de representar un bit que registra 0 y 1 al mismo tiempo. Feynman sugirió que si la computadora fuera mecánica cuántica, podría ser más fácil lidiar con los procesos cuánticos. En 1996, demostré que Feynman tenía razón y creé algoritmos que permitirían a una computadora cuántica simular sistemas de estado sólido, químicos y de alta energía. Un simulador de este tipo requeriría solo unos cien qubits para poder superar a todas las supercomputadoras convencionales.

Un segundo tipo de computación cuántica, conocida como computación cuántica adiabática, no solo es más fácil que descifrar códigos, sino también potencialmente mucho más poderoso. La computación cuántica adiabática es una forma particularmente física de intentar resolver problemas difíciles.

Como todos los sistemas físicos, los electrones preferirían habitar estados de menor energía que estados de mayor energía, particularmente a bajas temperaturas. La energía de un sistema físico como un electrón depende de los estados de sus vecinos. Un electrón podría decirle a sus vecinos que giran: Para una energía menor, gire en el sentido de las agujas del reloj. Otro electrón podría decir: Para una energía más baja, gire en sentido antihorario. El estado de energía más bajo para los electrones giratorios como comunidad es el que minimiza el número total de conflictos entre giros vecinos. Para que un grupo de electrones encuentre su estado de energía más bajo común, o estado fundamental, debe encontrar formas de ponerse de acuerdo sobre cómo alinear sus espines. De la misma manera que un problema computacional complejo se puede dividir en bits, se puede plantear en términos de encontrar el estado fundamental de un sistema físico adecuado.

La computación cuántica adiabática intenta representar los problemas como la perturbación de un sistema cuántico, de modo que la respuesta está representada por la suposición del sistema de un nuevo estado fundamental. Desarrollado por Eddie Farhi y Jeffrey Goldstone en el MIT y Sam Gutmann en la Northeastern University, funciona inicializando el sistema cuántico a un estado fundamental simple (todos los giros giran en el sentido de las agujas del reloj, por ejemplo) y luego gradualmente, o adiabáticamente, activando las interacciones que codifican. el problema. Si este proceso de encendido es lo suficientemente lento, el sistema pasará gradualmente de su estado inicial simple al estado final complejo.

El aspecto más interesante de la computación cuántica adiabática es que nadie sabe con certeza si funciona en la práctica. Puede ser que para cualquier problema significativo, el sistema tenga que supurar tan lentamente que se necesitaría la edad del universo para devolver una respuesta. Por el contrario, puede ser que incluso el problema más difícil sucumbirá a una computadora cuántica adiabática. A pesar de la atención concertada de un grupo de físicos y matemáticos, la cuestión de si la computación cuántica adiabática funciona sigue abierta. La mayoría de los expertos sospechan que no puede resolver los problemas computacionales más difíciles. Pero la sospecha no es prueba.

Cuando los teóricos no pueden ponerse de acuerdo, los experimentalistas siguen adelante. Debido a que el objetivo de la computación cuántica adiabática es ir lento en lugar de rápido, las computadoras cuánticas adiabáticas son, en principio, significativamente más fáciles de construir que las computadoras cuánticas de descodificación de códigos de propósito general. Al darnos cuenta de este punto clave, en 2002 mi estudiante de posgrado Bill Kaminsky y yo creamos un diseño para una computadora cuántica adiabática basada en tecnología superconductora. El año pasado, D-Wave Systems, una startup de computación cuántica en Burnaby, Columbia Británica, anunció que había construido una computadora cuántica adiabática basada en nuestro diseño. En ese momento, las cosas se pusieron interesantes.

D-Wave se fundó hace poco menos de una década, con el propósito expreso de construir una computadora cuántica comercial. Después de jugar con la idea de construir una computadora cuántica para factorizar grandes números, sus investigadores se decidieron sensiblemente por las tareas más sencillas y aún potencialmente rentables de la simulación cuántica y la computación cuántica adiabática. En febrero de 2007, en el Museo de Historia de la Computación de Silicon Valley, la compañía hizo una demostración de un dispositivo de 16 qubit que, según afirmó, podría resolver problemas de optimización razonablemente complejos. ¡Incluso podría hacer rompecabezas de Sudoku!

D-Wave ha recaudado alrededor de $ 60 millones en fondos de capitalistas de riesgo como Draper Fisher Jurvetson. Como empresa privada, es responsable principalmente ante sus inversores y no ante la comunidad científica. Por lo tanto, no fue una sorpresa que al anunciar su éxito en la construcción de una computadora cuántica adiabática, D-Wave se centrara en aplicaciones comerciales más que en detalles científicos. Si bien los capitalistas de riesgo quedaron impresionados con el anuncio, que ofrecieron a la empresa otra ronda de financiación, los científicos estaban menos entusiasmados. El comunicado de prensa no proporcionó especificaciones del dispositivo que permitieran evaluar la precisión científica de sus afirmaciones. Parecía posible que la computadora simplemente estuviera encontrando soluciones al enfriarse a su estado fundamental, un proceso bastante aburrido y no tan mecánico cuántico, en lugar de realizar el procedimiento adiabático más sutil descrito anteriormente. Cuando D-Wave se olvidó de proporcionar evidencia concreta de que el dispositivo realmente estaba realizando un cálculo cuántico, incluso los observadores científicos más caritativos simplemente asumieron que sus científicos no sabían si lo estaba o no. (Consulte D-Wave inconexo) Observadores menos caritativos pronunciaron palabras que no puedo informar en esta publicación. Por mi parte, estaba en conflicto. Realmente me gustaría saber si la computación cuántica adiabática funciona. Incluso si este enfoque no puede resolver los problemas más difíciles, si el sistema de D-Wave pudiera realizar una demostración bien definida de la computación cuántica adiabática en algunos casos simples, eso sería una validación del diseño de Kaminsky y el mío. Sin embargo, tal como estaban las cosas, D-Wave parecía estar enturbiando el pozo cuántico del dinero.

El otoño pasado, las aguas se aclararon. El teórico en jefe de D ‑ Wave, Mohammad Amin, y su experimentalista jefe, Andrew Berkley, visitaron la comunidad de computación cuántica en el MIT. Discutieron los temas científicos con franqueza. No, admitieron, no podían probar que lo que estaban haciendo fuera verdadera computación cuántica adiabática, pero parecía que probablemente lo fuera. ¿Cómo podrían responder a la pregunta de manera concluyente?

Los pioneros de la computación cuántica superconductora habían podido demostrar la naturaleza cuántica de sus dispositivos aplicándolos con pulsos de microondas rápidos y observando sus respuestas. Pero esos dispositivos no eran adiabáticos; operaban a velocidades comparables a las de una computadora convencional. El dispositivo D-Wave, por el contrario, es deliberadamente lento: por lo tanto, no es posible hacer zapping. Como resultado, hay un número limitado de experimentos que pueden indicar si el dispositivo realmente está realizando computación cuántica. Uno, sin embargo, es variar la lentitud con la que el dispositivo rezuma desde su estado inicial hasta su estado final. A mitad del proceso de supuración, la computadora llega a un punto en el que debe comenzar a tomar decisiones difíciles que conducen a la solución del problema. Aquí la computadora se encuentra en un estado cuántico extraño, en el que cada bit registra 0 y 1 al mismo tiempo. Insté a los investigadores de D-Wave a explorar este punto crítico y buscar los signos reveladores.

Más recientemente, hablé con Herb Martin, director ejecutivo de D-Wave, y Geordie Rose, directora de tecnología y cofundadora de la empresa, y les hice hincapié en la necesidad de que realicen estos experimentos si están realmente interesados ​​en explicar cómo funcionan sus dispositivos. Un experimento que le recomendé a Rose es un protocolo específico para crear y verificar la presencia de un estado llamado gato de Schrödinger, una instancia específica del estado en el que todos los qubits registran 0 y 1 simultáneamente. (El nombre proviene de un experimento mental propuesto por uno de los fundadores de la mecánica cuántica, Erwin Schrödinger, quien imaginó un gato cuántico que podría estar vivo y muerto al mismo tiempo). Tanto Martin como Rose parecen entusiasmados: son muy conscientes que si no pueden probar que su dispositivo realmente está haciendo algo mecánico-cuántico, entonces su nombre dentro de la comunidad científica seguirá siendo barro.

En noviembre del año pasado, D-Wave demostró lo que afirmó era una computadora cuántica adiabática de 28 qubit. Ahora, los científicos de la empresa están intentando demostrar la naturaleza fundamentalmente mecánica cuántica de su dispositivo. Existe una fuerte motivación para hacer ciencia y hacerlo bien. La ingeniería es una ciencia tan bien establecida que incluso ingenieros como yo pueden hacerlo. Si no puede comprender correctamente la ciencia de una computadora cuántica de 16 qubit, entonces sus posibilidades de construir dispositivos de 512 qubit y 1.024 qubit (los próximos pasos planificados de D-Wave) son nulas. Por otro lado, si D-Wave puede confirmar que su sistema actual entra en el estado en el que todos sus qubits son 0 y 1 al mismo tiempo, entonces tiene una buena oportunidad de construir dispositivos cuánticos que sean más complejos.

Y un gato de Schrödinger superconductor de 16 qubit sería genial.

Seth Lloyd es profesor de ingeniería mecánica y director del Center for Extreme Quantum Information Theory del MIT.

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