Los computadores cuánticos compiten por la "supremacía"

Dos tecnologías pueden estar a punto de superar incluso las computadoras digitales más poderosas en un año o así, pero los desafíos clave siguen sin resolverse Crédito de a imagen: Alfred Pasieka Getty Images Por Neil Savage para Scientific American Julio 5 de 2017 Los científicos han soñado durante mucho tiempo con el desarrollo de computadoras cuánticas, máquinas que dependen de leyes arcanas de la física para realizar tareas que van mucho más allá de la capacidad de los supercomputadores más fuertes de hoy en día. En teoría, una máquina de este tipo podría crear modelos matemáticos demasiado complejos para las computadoras estándar, ampliando grandemente la gama y la precisión de las previsiones meteorológicas y las predicciones de los mercados financieros, entre otras cosas. Podrían simular procesos físicos como la fotosíntesis, abriendo nuevas fronteras en energía verde. La computación cuántica también podría sacudir la inteligencia artificial a un nivel mucho más alto de sofisticación: ¡Si Watson de IBM ya puede ganar en Jeopardy! Y hacer algunos diagnósticos médicos, imaginar lo que una versión enormemente más inteligente podría hacer. Pero para darse cuenta de esas visiones, los científicos primero tienen que averiguar cómo construir realmente una computadora cuántica que pueda realizar más que las operaciones más simples. Ahora están más cerca que nunca, con IBM en mayo anunciando su sistema cuántico más complejo hasta ahora y Google diciendo que está en camino este año para desvelar un procesador con la supuesta "supremacía cuántica" ― capacidades que ninguna computadora convencional puede igualar. Existen sistemas pequeños, pero los próximos pasos en la carrera para hacerlos más grandes tendrán que determinar si los ordenadores cuánticos pueden cumplir con su potencial. Los científicos y los actores de la industria se han centrado principalmente en uno de dos enfoques. Uno refresca los bucles de alambre a cerca de -273,15 grados Celsius, o el cero absoluto, convirtiéndolos en superconductores donde la corriente fluye prácticamente sin resistencia. El otro se basa en iones atrapados átomos cargados del elemento de tierras raras ytterbium mantenido en su lugar en una cámara de vacío por rayos láser y manipulados por otros láseres. Las cargas oscilantes (tanto en los cables como en los iones atrapados) funcionan como bits cuánticos, o "qubits", que pueden ser aprovechados para llevar a cabo las operaciones de la computadora. SALTOS CUÁNTICOS El truco para cualquiera de los dos enfoques consiste en averiguar cómo salir de los sistemas ya demostrados, que contienen sólo unos pocos qubits, a los que pueden manejar los cientos o miles necesarios para el tipo de levantamiento pesado que la tecnología cuántica parece prometer. El año pasado, IBM puso a disposición de desarrolladores, investigadores y programadores un procesador cuántico de cinco bits para su experimentación a través de su portal en la nube. La compañía ha hecho progresos significativos desde entonces, revelando en mayo que ha actualizado su computadora cuántica basada en la nube a un procesador de 16 bits y creó un procesador de 17 bits más bien diseñado que podría ser la base para sistemas comerciales. Ambos se basan en los circuitos superconductores de alambre de alambre, al igual que el procesador de 20 qubits de Google, que la compañía anunció en una conferencia en Munich, Alemania, el 22 de junio. Alan Ho, un ingeniero en Quantum Artificial Intelligence Lab de Google, Su compañía espera alcanzar la supremacía cuántica con un chip de 49 bits a finales de este año. Esos números pueden no parecer impresionantes. Pero un qubit es mucho más potente que el tipo de bit que sirve como la unidad más pequeña de datos en una computadora convencional. Esos bits están basados en el flujo de corriente eléctrica, y constituyen el lenguaje digital en el que todas las funciones de cálculo: "Off" significa 0 y "on" significa 1, y estos dos estados codifican todas las operaciones del ordenador. Los Qubits, sin embargo, no están basados en conmutadores eléctricos sí / no, sino más bien en las propiedades cuánticas de una partícula, como la dirección en la que un electrón gira. Y en el mundo cuántico una partícula puede existir simultáneamente en una variedad de estados más complejos que simplemente on / off— un fenómeno conocido como superposición. "Puedes tener cabezas, puedes tener colas, pero también puedes tener cualquier superposición ponderada. Usted puede tener 70-30 cabezas de cola ", dice Christopher Monroe, físico de la Universidad de Maryland, College Park, y fundador de IonQ, una start-up trabajando en la construcción de una computadora cuántica con iones atrapados. La capacidad más que binaria para ocupar múltiples estados a la vez permite a los qubits realizar muchos cálculos simultáneamente, ampliando ampliamente su poder de cálculo. Ese poder crece exponencialmente con el número de qubits. Así, en torno a los 49 ó 50 qubits, los ordenadores cuánticos alcanzan el equivalente a unos 10 billones de bits y son capaces de cálculos que ningún ordenador clásico podría igualar, dice John Preskill, físico teórico del California Institute of Technology. "Si va a hacer cosas útiles es una pregunta diferente", diclaró. Tanto los circuitos superconductores como los iones atrapados tienen una buena oportunidad para alcanzar ese umbral de cincuenta-qubit, dice Jerry Chow, gerente de computación cuántica experimental en IBM TJ Watson Research Center en Yorktown Heights, Nueva York. El pensamiento convencional sugeriría que más qubits significa más poder. Chow señala que "no se trata sólo del número de qubits". Está más centrado en el número y la calidad de los cálculos que la máquina puede realizar, una métrica que llama "volumen cuántico". Esto incluye factores adicionales como la rapidez con que los qubits pueden realizar Los cálculos y lo bien que evitar o corregir los errores que pueden fluir pulg Algunos de esos factores pueden trabajar unos contra otros; La adición de más qubits, por ejemplo, puede aumentar la tasa de errores como la información pasa por la línea de un qubit a otro. "Como comunidad debemos enfocarnos —no importa si estamos trabajando en qubits superconductores o en iones atrapados o lo que sea— al empujar este volumen cuántico cada vez más alto para que podamos hacer procesadores cuánticos cada vez más poderosos y hacer cosas que nosotros Nunca pensó en ", dice Chow. MEJOR, NO ES MÁS GRANDE Monroe recientemente comparó su sistema de iones de cinco-qubit atrapado con el procesador de cinco-qubit de IBM ejecutando los mismos algoritmos simples en ambos, y encontró el funcionamiento comparable. La mayor diferencia, dice, es que los iones atrapados están todos conectados entre sí a través de fuerzas electromagnéticas: Wiggle un ion en una cadena de 30 y todos los demás iones reacciona, lo que facilita rápida y exactamente pasar la información entre ellos. En el circuito superconductor del lazo del alambre solamente algunos qubits están conectados, que hace pasar la información un proceso más lento que puede introducir errores. Una ventaja de los circuitos superconductores es que son fáciles de construir usando los mismos procesos que hacen los chips de computadora. Realizan las operaciones básicas de la puerta lógica de una computadora, es decir, sumar, restar o manipular los bits en billonésimas de segundo. Por otro lado, los qubits en este tipo de sistema mantienen su estado cuántico por sólo milisegundos-milésimas de segundo, por lo que cualquier operación debe ser completada en ese tiempo. Los iones atrapados, por el contrario, conservan sus estados cuánticos durante muchos segundos, a veces incluso minutos u horas. Pero las puertas lógicas en un sistema de este tipo funcionan alrededor de 1.000 veces más lento que en la computación cuántica basada en superconductores. Esa reducción de velocidad probablemente no importa en operaciones simples con sólo unos cuantos qubits, dice Monroe. Pero podría convertirse en un problema para obtener una respuesta en un tiempo razonable a medida que aumenta el número de qubits. Para los qubits superconductores, un número creciente puede significar una lucha para conectarlos juntos. Y aumentar el número de qubits, no importa con qué tecnología se usan, hace más difícil conectarlos y manipularlos, porque eso debe hacerse manteniéndolos aislados del resto del mundo para que mantengan sus estados cuánticos. Cuantos más átomos o electrones se agrupan en gran número, más se asumen las reglas de la física clásica y menos significativas las propiedades cuánticas de los átomos individuales se convierten en cómo se comporta todo el sistema. "Cuando se hace un sistema cuántico grande, se vuelve menos cuántico", dice Monroe. Chow piensa que las computadoras cuánticas llegarán a ser lo suficientemente poderosas para hacer al menos algo más allá de la capacidad de los ordenadores clásicos, posiblemente una simulación en química cuántica, dentro de unos cinco años. Monroe dice que es razonable esperar sistemas que contengan unos cuantos miles de qubits en una década o así. Hasta cierto punto, dice Monroe, los investigadores no sabrán lo que podrán hacer con estos sistemas hasta que descubran cómo construirlos. Preskill, de 64 años, dice que piensa que vivirá el tiempo suficiente para ver que las computadoras cuánticas tienen un impacto en la sociedad en la forma en que tienen Internet y los teléfonos inteligentes, aunque no puede predecir exactamente cuál será ese impacto. "Estos sistemas cuánticos hablan un lenguaje que los sistemas digitales no hablan", dice. "Sabemos por la historia que simplemente no tenemos la imaginación para anticipar dónde pueden llevarnos las nuevas tecnologías de la información". ―――――――――――――――――――――― With a little help from Google Translate for Business