Computación cuántica para el qubit curious

¿Qué es la computación cuántica? Las computadoras normales funcionan de acuerdo con reglas estrictas de lógica. Pero pequeños objetos cuánticos, como electrones o fotones de luz, pueden romper esas reglas

La computación cuántica es la idea de que podemos usar esta ruptura de reglas cuánticas para procesar la información de una manera nueva, una que es totalmente diferente de cómo funcionan las computadoras normales. Esto los hace, en algunos casos, exponencialmente más rápidos que cualquier computadora normal.

Por ejemplo, una computadora cuántica podría descifrar fácilmente los códigos que mantienen segura la banca por Internet.

Entonces, ¿como una supercomputadora?

No exactamente. Una computadora cuántica no es solo una computadora «más rápida». Hay algunas tareas específicas, como factorizar números muy grandes, en las que una computadora cuántica sería increíble. (Aquí es donde entra en juego el descifrado de códigos – ver más abajo.) Pero para la mayoría de los trabajos, una computadora cuántica sería poco mejor que una computadora normal.

Entonces, ¿para qué se puede usar una computadora cuántica?

Probablemente serán más útiles para agencias gubernamentales, empresas de investigación y desarrollo y universidades para resolver problemas con los que luchan las computadoras actuales.

La primera idea práctica, propuesta por el físico Richard Feynman en 1981, fue utilizar una computadora cuántica para simular la mecánica cuántica. Esto afectaría a la química y la biología. Los químicos, por ejemplo, podrían modelar con precisión las interacciones de los medicamentos y los biólogos podrían estudiar todas las formas posibles en que las proteínas pueden plegarse e interactuar entre sí.

Mientras que las computadoras cuánticas alguna vez fueron una curiosidad académica, el interés explotó en 1994 cuando el matemático estadounidense Peter Shor encontró una manera de usar las computadoras cuánticas para romper códigos.

Actualmente, muchos sistemas de seguridad en línea se ejecutan bajo el principio de que es casi imposible tomar un número muy grande y averiguar cuáles son sus factores principales. Todo lo que una computadora normal puede hacer es probar cada posibilidad una tras otra, una tarea que podría tomar miles de millones de años. Usando el algoritmo de Shor, una computadora cuántica podría realizar la tarea en unas pocas horas.

Las computadoras cuánticas también podrían ser fantásticas para reconocer patrones en datos, útiles para problemas de aprendizaje automático, como la capacidad de identificar diferentes objetos en una imagen. Podrían ser excelentes para construir modelos para predecir el futuro, como en el pronóstico del tiempo a largo plazo.

Pero, en última instancia, los usos de la computación cuántica son impredecibles. Considere que en 1943, Thomas Watson, presidente de IBM, dijo: «Creo que hay un mercado mundial para tal vez cinco computadoras.»Ahora hay cinco en cada hogar.

Si el precedente sirve de guía, todavía tenemos que imaginar cuáles serán los usos de las computadoras cuánticas.

¿Cómo funciona la computación cuántica?

Los ordenadores normales se basan en» bits», imagínalos como pequeños interruptores que apuntan a un 1 o a un 0.

La computación cuántica se basa en bits cuánticos, o «qubits», que también pueden representar un 0 o un 1. Lo loco es que los qubits también pueden alcanzar un estado mixto, llamado «superposición», donde son 1 y 0 al mismo tiempo. Esta ambigüedad-la capacidad de «ser» y «no ser» – es clave para el poder de la computación cuántica.

¿Cómo ayuda la superposición?

La diferencia entre las computadoras normales y las computadoras cuánticas se reduce a cómo abordan un problema.

Una computadora normal trata de resolver un problema de la misma manera que usted podría intentar escapar de un laberinto: probando todos los corredores posibles, regresando a callejones sin salida, hasta que finalmente encuentre la salida. Pero la superposición permite que la computadora cuántica pruebe todos los caminos a la vez, en esencia, encontrar el atajo.

Dos bits en su computadora pueden estar en cuatro estados posibles (00, 01, 10 u 11), pero solo uno de ellos en cualquier momento. Esto limita la computadora a procesar una entrada a la vez (como intentar un pasillo en el laberinto).

En una computadora cuántica, dos cúbits también pueden representar exactamente los mismos cuatro estados (00, 01, 10 u 11). La diferencia es que, debido a la superposición, los qubits pueden representar todos los cuatro al mismo tiempo. Eso es un poco como tener cuatro computadoras normales funcionando una al lado de la otra.

Si agrega más bits a un equipo normal, solo puede tratar con un estado a la vez. Pero a medida que agregas qubits, la potencia de tu computadora cuántica crece exponencialmente. Para los matemáticamente inclinados, podemos decir que si tienes» n » qubits, puedes representar simultáneamente 2n estados.)

Es como esa vieja fábula sobre un antiguo indio, llamado Sessa, que inventó el juego de ajedrez. El rey estaba encantado con el juego y le pidió a Sessa que nombrara su recompensa. Sessa pidió humildemente un solo tablero de ajedrez con un grano de trigo en la primera casilla, dos en la segunda, cuatro en la tercera y así sucesivamente. El rey aceptó de inmediato, sin darse cuenta de que había prometido más trigo del que existía en la Tierra. Ese es el poder del crecimiento exponencial.

Al igual que cada cuadrado duplicó el trigo de Sessa, cada qubit adicional duplica la potencia de procesamiento. Tres qubits te dan 23, que son ocho estados al mismo tiempo; cuatro qubits te dan 24, que es 16. Y 64 qubits? Te dan 264, que es 18,446,744,073,709,600,000 posibilidades! Eso vale un millón de terabytes.

Mientras que 64 bits regulares también pueden representar este enorme número (264) de estados, solo pueden representar uno a uno. Recorrer todas estas combinaciones, a dos mil millones por segundo (que es una velocidad típica de un PC moderno), tomaría unos 400 años.

Todo esto significa que las computadoras cuánticas podrían abordar problemas que son» prácticamente imposibles » para las computadoras clásicas.

Pero para conseguir esa velocidad exponencial, el destino de todos los cúbits tiene que estar unido en un proceso llamado entrelazamiento cuántico. Este extraño fenómeno, que Einstein llamó «acción espeluznante a distancia», puede conectar partículas cuánticas incluso si están en extremos opuestos del universo.

¿Qué hace un qubit?

Para hacer un cúbit, se necesita un objeto que pueda alcanzar un estado de superposición cuántica entre dos estados.

Un núcleo atómico es un tipo de qubit. La dirección de su momento magnético (su» giro») puede apuntar en diferentes direcciones, digamos hacia arriba o hacia abajo con respecto a un campo magnético.

El desafío es colocar y luego abordar ese átomo único.

Un equipo australiano dirigido por Michelle Simmons en la Universidad de Nueva Gales del Sur, ha hecho qubits atómicos colocando un solo átomo de fósforo en una posición conocida dentro de un cristal de silicio.

Otra idea es quitar un electrón del átomo y convertirlo en un ion. Luego puede usar campos electromagnéticos para suspender el ion en el espacio libre, disparándole láseres para cambiar su estado. Esto lo convierte en una computadora cuántica de iones atrapados.

Una corriente en un bucle de metal superconductor también puede estar en una superposición (entre sentido horario y antihorario), un poco como una pequeña cinta de correr hacia adelante y hacia atrás al mismo tiempo.

Un fotón de luz puede superponerse en la dirección en que se mueve. Algunos grupos han estado ensamblando circuitos cuánticos enviando fotones alrededor de un laberinto de fibras ópticas y espejos.

¿Cómo se crea la superposición?

¿Alguna vez ha tratado de equilibrar una moneda exactamente en su borde? Así es programar un qubit. Implica hacerle algo a un qubit para que, en cierto sentido, termine «equilibrado» entre estados.

En el caso del núcleo atómico, esto podría ser a través de un zapping con un campo eléctrico o magnético, dejando is con una probabilidad igual de girar de una manera u otra.

Entonces, ¿cómo lee la información de los qubits?

Hay un aura de mística sobre lo que sucede durante un cálculo cuántico. Los físicos más excéntricos describen a los cúbits como participando en una especie de sesión cuántica con mundos paralelos para adivinar la respuesta.

Pero no es magia, es solo mecánica cuántica.

Digamos que tienes tu nueva computadora cuántica de 64 qubits en funcionamiento para su primer cálculo. Colocas los 64 qubits en superposición, al igual que las 64 monedas equilibradas en el borde. Juntos, tienen 264 estados posibles en el limbo. Sabes que uno de estos estados representa la respuesta correcta. ¿Pero cuál?

El problema es que leer los qubits hace que la superposición se colapse, como golpear el puño sobre la mesa con todas esas monedas equilibradas.

Aquí es donde un algoritmo cuántico como el de Shor es útil. Carga los qubits para hacerlos más propensos a caer en el lado correcto y darnos la respuesta correcta.

¿Ya se han construido ordenadores cuánticos?

Aparentemente sí, aunque ninguno de ellos puede hacer nada que supere a los ordenadores convencionales por el momento.

Los últimos tres años han visto un progreso dramático en la computación cuántica. Mientras que en 2016 la revista Nature celebraba un ordenador de nueve bits desarrollado por investigadores de Google. Dieciocho meses después, en diciembre de 2017, IBM informó de su ordenador cuántico de 50 qubits. En cuatro meses, Google se había adelantado de nuevo, con su computadora cuántica de 72 qubit ‘Bristlecone’. Mientras tanto, IBM ha producido la primera computadora cuántica disponible comercialmente, que proporciona acceso en la nube a su máquina de 20 qubit Q System One, por un precio.

D-Wave sigue adelante con su creación utilizando 2000 bucles superconductores como cúbits, aunque algunos físicos son escépticos de que D-Wave haya construido una verdadera computadora cuántica.

Todos los grandes jugadores tienen el siguiente hito importante en la mira: «supremacía cuántica». Esto significa cuando una computadora cuántica resuelve un problema más allá de las capacidades de las máquinas clásicas. Teóricamente, esto debería ser posible con una máquina de 50 qubit, pero solo si las tasas de error son lo suficientemente bajas.

¿Por qué es tan difícil construir una computadora cuántica?

Hay desafíos en todos los niveles, desde ensamblar qubits, leer y escribir información sobre ellos, hasta transportar información de ida y vuelta sin que desaparezca en un soplo de incertidumbre.

Un qubit es la diva definitiva. Mientras que una estrella de Hollywood podría exigir un vestidor gigantesco y un baño lleno de pétalos de rosa, un cúbit exige un aislamiento perfecto y un termostato ajustado a una centésima de grado por encima del cero absoluto. La más mínima vibración de un átomo cercano puede hacer que un cúbit haga una rabieta cuántica y pierda su superposición.

La dificultad principal es cómo mantener los delicados estados de superposición y entrelazamiento el tiempo suficiente para ejecutar un cálculo, el llamado tiempo de coherencia.

A pesar de este enorme desafío, la carrera por construir la primera computadora cuántica práctica se ha convertido en uno de los grandes desafíos científicos de nuestro tiempo, con la participación de miles de físicos e ingenieros en docenas de institutos de investigación repartidos por todo el mundo.