Un impulso cuántico para un tipo diferente de computadora

S. Debnath

Las computadoras cuánticas capaces de realizar cálculos alucinantes finalmente están en el horizonte. Pero, ¿cómo serán las primeras máquinas útiles?

Pesados ​​de la industria, incluidos IBM , Google , Microsoft , y Intel , así como algunas nuevas empresas como Cálculo de rechazos y Circuitos cuánticos incorporados , están haciendo avances constantes hacia computadoras cuánticas más capaces mediante el uso de circuitos superconductores enfriados a temperaturas extremas.

Mientras tanto, dos equipos de investigación han demostrado que un enfoque ignorado en gran medida por la industria, el uso de átomos atrapados para realizar cálculos, puede ampliarse a un nuevo nivel de complejidad y utilizarse para realizar un trabajo valioso. Los sistemas resultantes no son computadoras cuánticas universales capaces de realizar ningún cálculo, pero sugieren que un enfoque atómico puede tener más potencial de lo que se supone. El trabajo también insinúa que, en última instancia, los átomos podrían ofrecer una mejor manera de convertir los sistemas de laboratorio en computadoras cuánticas prácticas a gran escala.

El enfoque superconductor ha tenido éxito en parte porque las técnicas de ingeniería utilizadas para fabricar circuitos de silicio se han perfeccionado durante las últimas décadas (ver 10 Tecnologías innovadoras 2017: Computadores cuánticos prácticos). Pero es posible construir una computadora cuántica utilizando una amplia gama de enfoques.

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En dos documentos publicado hoy en la revista Naturaleza , un equipo del MIT y Harvard en Cambridge, Massachusetts, y otro de la Universidad de Maryland y el Instituto Nacional de Estándares en Washington DC, revelan que han construido tipos especializados de calculadora cuántica, cada uno de los cuales usa más de 50 qubits, bueno más allá de lo que se había demostrado anteriormente. En ambos casos, los investigadores crearon simuladores cuánticos, máquinas capaces de usar cálculos analógicos para modelar cómo interactúan las partículas cuánticas.

Los dos sistemas usan átomos pero funcionan de diferentes maneras. El sistema MIT-Harvard maneja 51 qubits mediante el uso de láseres para atrapar átomos neutros en un estado excitado. La máquina Maryland-NIST, que maneja 53 qubits, atrapa iones de iterbio en su lugar usando electrodos recubiertos de oro. Juntos, sugieren que un enfoque alternativo para construir máquinas cuánticas aún podría tener el potencial de desafiar el que persigue la industria.

Si bien nuestro sistema aún no constituye una computadora cuántica universal, podemos programarlo de manera efectiva controlando las interacciones entre los qubits, dice mijail lukin , un físico de Harvard que desarrolló uno de los sistemas en colaboración con Vladan Vulético en el MIT.

Will Zeng, investigador de Rigetti Computing, una empresa que ha recibido decenas de millones en fondos de riesgo para dedicarse a la computación cuántica, dice que la simulación cuántica a esta escala es un paso importante. De hecho, simular efectos cuánticos fue el propósito original de una computadora cuántica. propuesto por el físico Richard Feynman hace más de 40 años. Ahora los científicos pueden mostrar parte del potencial inherente a las computadoras cuánticas, por lo que los resultados son emocionantes, dice.

Las computadoras cuánticas funcionan de una manera fundamentalmente diferente a las computadoras convencionales. Mientras que una computadora normal toma bits binarios de información, codificados como 1 o 0 , y realiza cálculos sobre ellos uno tras otro, una computadora cuántica explota dos características contrarias a la intuición del mecanismo cuántico, el entrelazamiento y la superposición, para realizar cálculos en paralelo. Como resultado, puede calcular grandes cantidades de información en mucho menos tiempo. Varias docenas de bits cuánticos pueden realizar cálculos en miles de millones de piezas de información en un solo paso.

La tecnología siguió siendo un sueño imposible entre los físicos durante años, pero sin duda tiene un enorme potencial. Ahora crece el entusiasmo por construir finalmente máquinas capaces de realizar un trabajo útil.

El punto de referencia de 50 qubits es significativo porque alrededor de ese punto, las máquinas cuánticas se vuelven capaces de realizar cálculos que serían difíciles, si no imposibles, de ejecutar incluso en la supercomputadora más enorme disponible. Algunos científicos se refieren a esto como supremacía cuántica (consulte Google revela un plan para la supremacía cuántica e IBM eleva el nivel con una computadora cuántica de 50 Qubit). Tanto IBM como Google están desarrollando computadoras cuánticas superconductoras de propósito general capaces de usar aproximadamente la misma cantidad de qubits.

Quizás más significativo, los qubits en los nuevos sistemas atómicos pueden ser más adecuados para la ampliación, dice cris monroe , profesor de la Universidad de Maryland y autor principal de uno de los artículos. Los qubits en los sistemas de estado sólido no son idénticos, lo que significa que un sistema debe calibrarse cuidadosamente, y esto puede ser complicado a medida que crece el tamaño de una máquina. Por el contrario, los qubits creados con átomos, aunque son más difíciles de controlar, son idénticos y no necesitan ajuste. Los átomos son, en cierto sentido, el qubit perfecto, dice Monroe. Agrega que los sistemas atómicos pueden resultar más fáciles de reconfigurar, haciéndolos más adecuados para abordar una gama más amplia de problemas.

Eso no quiere decir que construir sistemas cuánticos más grandes y prácticos sea fácil para cualquiera. Creemos que podemos llegar a alrededor de mil bits cuánticos de una manera sencilla, pero la situación es menos clara más allá de eso, dice Vuletic.

Igual de importante, solo estamos recibiendo indicios de cuán útiles serán realmente las computadoras cuánticas. En un estudio histórico publicado en septiembre, un equipo de IBM utilizó una computadora cuántica, llamada IBM Q, para simular la estructura del hidruro de berilio, la molécula más compleja jamás analizada de esta manera.

Probablemente no sabremos de qué son capaces estas máquinas hasta que muchos más ingenieros y programadores las tengan en sus manos. Estamos comenzando a pasar de la era de la física a la ingeniería cuántica, dice Monroe de la UMD.

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