Davide Castelvecchi 07 de septiembre de 2017
Durante
mucho tiempo la computación cuántica ha parecido como una de esas tecnologías
que están a 20 años de distancia, y que siempre lo estarán. Pero 2017 podría
ser el año en que este campo se desprenda de la imagen de que son únicamente un
área investigación.
Los
gigantes informáticos Google y Microsoft contrataron recientemente una gran
cantidad de luminarias y se han fijado metas desafiantes para este año. Su
ambición refleja una transición más amplia que tiene lugar tanto en los
start-ups (empresas emergentes) como en los laboratorios de investigación
académica: ir de la ciencia pura a la ingeniería. “La gente realmente está
construyendo cosas”, dice Christopher Monroe, físico de la Universidad de
Maryland, en College Park, quien cofundó el start-up IonQ en 2015. “Nunca he
visto nada de eso. Ya no es solo investigación”.
En
2014, Google comenzó a trabajar en una forma de computación cuántica que
aprovecha la superconductividad. La compañía espera que este año, o un poco
después, esa tecnología realice cómputo que está más allá de las
supercomputadoras “clásicas” más poderosas —un escurridizo hito conocido como supremacía
cuántica–. Su rival, Microsoft, está apostando por un concepto intrigante pero
no probado, la computación cuántica topológica, y espera realizar una primera
demostración de la tecnología.
El
panorama de la computación cuántica en los start-ups también se está
calentando. Monroe planea comenzar a contratar formalmente este año. El físico
Robert Schoelkopf, de la Universidad de Yale, en New Haven, Connecticut, quien
cofundó el start-up Quantum Circuits, y Chad Rigetti, un físico aplicado que en
el pasado trabajó para IBM y quien creó Rigetti en Berkeley, California, dicen
que pronto alcanzarán importantes hitos técnicos.
Los
laboratorios académicos están en un punto similar. “Hemos demostrado todos los
componentes y todas las funciones que necesitamos”, dice Schoelkopf, quien
continúa dirigiendo un grupo que compite por construir una computadora cuántica
en Yale. Aunque todavía se necesitan muchos experimentos en el campo de la
física para lograr que los componentes funcionen juntos, los principales retos
ahora están en ingeniería, dijeron él y otros investigadores. La computadora
cuántica con la mayor cantidad de qubits
hasta ahora – 20– está siendo probada en un laboratorio académico dirigido por
Rainer Blatt en la Universidad de Innsbruck, en Austria.
Mientras
que las computadoras clásicas codifican la información como bits que pueden
estar en uno de dos estados, 0 ó 1, los ‘qubits’ que componen las computadoras
cuánticas pueden estar en ‘superposiciones’ de ambos a la vez. Esto, junto con
la habilidad de los qubits para compartir un estado cuántico llamado
entrelazamiento, debería permitir a los ordenadores realizar esencialmente
muchos cálculos a la vez. Y el número de tales cálculos debería, en principio,
duplicar por cada qubit adicional, dando lugar a una aceleración exponencial.
Esta
rapidez debería permitir a las computadoras cuánticas realizar determinadas
tareas, como buscar bases de datos grandes o factorizar grandes cantidades de
números, lo que sería inviable para las computadoras más lentas y clásicas. Las
máquinas también podrían ser transformadoras al usarse como una herramienta de
investigación, realizando simulaciones cuánticas que permitirían a los químicos
entender las reacciones con un nivel de detalle sin precedentes, o a los físicos
diseñar materiales que sean superconductivos a temperatura ambiente.
Hay
muchas propuestas competitivas sobre cómo construir qubits, pero hay dos
favoritos, confirmados en su capacidad de almacenar información durante tiempos
cada vez más largos –a pesar de la vulnerabilidad de los estados cuánticos a
perturbaciones externas– y para realizar operaciones de lógica cuántica. Un
enfoque en el que Schoelkopf ayudó y fue pionero, y que Google, IBM, Rigetti y
Quantum Circuits han adoptado, implica la codificación de estados cuánticos
como corrientes oscilantes en ciclos superconductores. El otro, buscado por
IonQ y varios laboratorios académicos importantes, es codificar qubits en los
iones individuales sostenidos por los campos eléctricos y magnéticos en trampas
de vacío.
John
Martinis, que trabajó en la Universidad de California en Santa Bárbara, hasta
que Google lo contrató a él ya su grupo de investigación en 2014, dice que la
madurez de la tecnología superconductora ha llevado a su equipo a establecer el
audaz objetivo de la supremacía cuántica.
El
equipo planea lograr esto usando un 'caótico' algoritmo cuántico que produce
algo parecido a una salida aleatoria (S. Boixo et al., Preprint en
https://arxiv.org/abs/1608.00263; 2016). Si el algoritmo se ejecuta en un
ordenador cuántico de relativamente pocos qubits, una máquina clásica puede
predecir su salida. Pero una vez que la máquina cuántica se acerca a unos 50
qubits, incluso las más grandes y clásicas supercomputadoras no lograrían
mantener el ritmo, según el equipo.
Los
resultados del cálculo no tendrán ningún uso, pero demostrarían que hay tareas
en las que las computadoras cuánticas son inmejorables –un umbral psicológico
importante que atraerá la atención de clientes potenciales, dice Martinis–.
“Creemos que será un experimento seminal”.
Pero
Schoelkopf no ve la supremacía cuántica como “un objetivo muy interesante o
útil”, en parte porque esquiva el reto de la corrección de errores: la
capacidad del sistema para recuperar su información tras ligeras perturbaciones
a los qubits, lo cual se hace más difícil si el número de qubits aumenta. En su
lugar, Quantum Circuits está enfocado en la fabricación de máquinas con errores
totalmente corregidos desde el principio. Esto requiere construir más qubits,
pero las máquinas también podrían ejecutar algoritmos cuánticos más
sofisticados.
Monroe
espera alcanzar la supremacía cuántica pronto, pero ese no es el objetivo
principal de IonQ. La puesta en marcha pretende construir máquinas que tengan
32 o incluso 64 qubits, y la tecnología de trampa de iones permitirá que sus
diseños sean más flexibles y escalables que los circuitos superconductores,
dice.
Microsoft,
mientras tanto, está apostando por la tecnología que tiene más que probar. La
computación cuántica topológica depende de las excitaciones de la materia que
codifica la información enredándose entre sí como trenzas. La información
almacenada en estos qubits sería mucho más resistente a perturbaciones externas
que otras tecnologías y, en particular, facilitaría la corrección de errores.
Nadie
ha logrado crear el estado de materia necesario para tales excitaciones, y
mucho menos un qubit topológico. Pero Microsoft ha contratado a cuatro líderes
en el área, incluyendo a Leo Kouwenhoven de la Universidad de Delft, en los
Países Bajos, que ha creado lo que parece ser el tipo correcto de excitación.
“Les digo a mis estudiantes que 2017 es el año del entrelazamiento”, dice
Kouwenhoven, quien ahora construirá un laboratorio de Microsoft en el campus de
Delft.
Otros
investigadores son más cautelosos. “No estoy haciendo ningún comunicado de
prensa sobre el futuro”, dice Blatt. David Wineland, físico del Instituto
Nacional de Estándares y Tecnología de Boulder, Colorado y quien dirige un
laboratorio que trabaja en trampas de iones, tampoco está dispuesto a hacer
predicciones específicas. “Soy optimista en el largo plazo”, dice, “pero lo que
significa ‘a largo plazo’, no lo sé”.
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