La frase más famosa jamás escrita sobre la teoría cuántica es "Si crees que entiendes la mecánica cuántica, entonces no entiendes la mecánica cuántica".
[Es un dicho con un nivel de incertidumbre adecuado al tema. Por lo general, se atribuye a Richard Feynman, pero no hay ningún registro de que haya dicho estas palabras. - Editor]
A medida que se acerca la era de la computación cuántica, y desafiando las advertencias, pensamos que podría ser útil explicar el enfoque de la computación cuántica, los desafíos que quedan y cómo se están superando.
Enfoque de la computación cuántica
Donde la computación clásica usa una serie de puertas lógicas que están abiertas o cerradas para construir un marco computacional binario, la computadora cuántica usa el hecho de que una partícula puede estar en diferentes estados al mismo tiempo. Si bien esto suena irremediablemente improbable (y fue satirizado por el padre de la física cuántica Schrödinger en su declaración de que bajo las reglas cuánticas su gato podría estar vivo y muerto al mismo tiempo), es la verdad subyacente de toda la física a escala atómica.
La física cuántica abre una forma completamente nueva de abordar la informática que podría resultar millones de veces más rápida que la informática clásica. Esto podría resolver problemas como cómo interactúan las proteínas a nivel molecular, o cómo podríamos catalizar la electrólisis del agua para crear un mundo impulsado por hidrógeno y eliminar los gases de efecto invernadero. Para muchos científicos, la perspectiva de lo cuántico se compara con la capacidad de ver el mundo molecular en resolución completa con un enfoque nítido, en lugar de la interpretación borrosa que tienen hoy.
Entonces, ¿cómo funciona una computación cuántica? La mejor explicación, según lo establecido por Scientific American, es considerar un ratón que está tratando de encontrar su camino a través de un laberinto. Mientras que un ratón clásico consideraría cada ruta posible hasta que encuentre su camino, el ratón cuántico puede considerar todas las rutas simultáneamente.
Este enfoque simultáneo de múltiples rutas es posible debido a las características especiales de la mecánica cuántica. Mientras que en la computación clásica los bits son 1 o 0, en la computación cuántica los bits, ahora llamados qQubits, pueden estar en una "superposición" donde podrían ser 1 o 0 o cualquier valor intermedio, en otras palabras, un poco como el gato famoso se encuentran en más de un estado al mismo tiempo. Esto permite configurar una computadora cuántica para contener todas las rutas posibles simultáneamente y resolver el problema del laberinto mucho más rápido. Al colapsar el estado de superposición en los qubits, revela qué ruta tiene la mayor probabilidad de ser correcta.
La importancia del enredo
¿Cómo es posible configurar el cálculo computacional en primer lugar? El hardware de las computadoras cuánticas se basa en una variedad de tecnologías de sonido exóticas como "iones atrapados", "superconductores" y "puntos cuánticos", pero todos ellos utilizan la segunda característica cuántica de "entrelazamiento" para configurar los qubits para el cálculo.
Si la superposición es una proposición difícil de entender, entonces el entrelazamiento es increíble; las propiedades físicas de una partícula, como la posición, el momento y el giro, se entrelazan entre diferentes partículas de modo que, sin importar dónde se encuentren en el universo, sus propiedades están completamente correlacionadas. Por lo tanto, un par de electrones con espines opuestos pueden enredarse en cualquier extremo del universo, y para hacer las cosas más extrañas, cualquier intento de medir su espín u otras propiedades físicas colapsará la superposición cuántica y conducirá a lo que se llama "decoherencia".
De esta realidad cuántica sumamente confusa surge una gran oportunidad. Si bien los qubits individuales existen en una superposición de dos estados, el número de estados aumenta exponencialmente a medida que se entrelazan más qubits entre sí. Entonces, mientras que un sistema de dos qubit almacena 4 valores posibles, un sistema de 20 qubit entrega más de un millón.
Después de configurar sus qubits en estados de superposición y entrelazamiento, puede considerar todas las rutas imaginables a través del laberinto de cálculo simultáneamente y, a medida que colapsa el estado de superposición a través de la medición, revela la ruta más probable a través del laberinto.
Este crecimiento exponencial en el poder de procesamiento da lugar a una base computacional que puede resolver algunos problemas extremadamente complejos como nuevas interacciones de proteínas o encontrar catalizadores para la electrólisis eficiente del agua.
Pero aún queda un gran problema por superar; la naturaleza de los qubits es que operan a escala cuántica y, por lo tanto, interactúan inevitablemente con otras fuerzas de la naturaleza, lo que provoca una decoherencia que interrumpe el funcionamiento de la computadora cuántica.
Ruido e inevitabilidad de errores
La interacción no deseada entre qubits y fuerzas externas es el mayor desafío para la aplicación comercial de la computación cuántica y es en gran parte el foco de los desarrolladores en el campo hoy. Estas fuerzas externas son en realidad solo el ruido que ocurre naturalmente a través de partículas que emiten o absorben energía, pero representan un desafío considerable a escala cuántica.
Algunos desarrolladores han adoptado un enfoque de hardware, utilizando el sobreenfriamiento hasta casi el cero absoluto o el aislamiento al vacío, otros han intentado utilizar un enfoque tolerante a fallas que se basa en el posprocesamiento matemático de los resultados para tratar de gestionar los problemas causados por los errores. Estos enfoques están limitados en la forma en que se escalan con el número de qubits y, como señalamos anteriormente, es el escalado en qubits lo que conduce a la enorme ventaja computacional de la computación cuántica sobre la clásica.
Un enfoque más reciente, y que permite la ampliación de los qubits para formar una computadora cuántica altamente poderosa, es implementar un sistema de soporte vital para el qubit. Esto convierte los muchos qubits ruidosos en un qubit lógico con comando y control centralizados. Esto permite la calibración en tiempo real de los qubits con todo el sistema informático cuántico decodificado, o esencialmente reiniciado para eliminar errores, cada 400 nanosegundos. Dado que un nanosegundo es una mil millonésima de segundo, esto significa que el sistema puede reiniciarse entre cada operación y más rápido que la decoherencia natural de los qubits.
Esta recalibración está habilitada por un sistema de control de baja latencia que a su vez es ejecutado por un kernel en el núcleo. El resultado es una solución práctica para los errores causados por el ruido inherente al nivel cuántico. Además de su funcionamiento en las computadoras cuánticas existentes, el nuevo enfoque también es aplicable en un amplio espectro de hardware de computación cuántica diferente donde se optimiza para cada tipo de qubit y se adapta a su perfil de ruido. Más importante aún, es el paso habilitador para la ampliación de las computadoras cuánticas y para 2023 se espera que los sistemas basados en más de 100 qubits sean posibles.
Hasta la fecha, los gigantes de la industria como Google e IBM han establecido los puntos altos de la computación cuántica, donde las computadoras se han escalado hasta 50 qubits al superar el problema de la corrección de errores a través de un enfoque altamente propietario que solo puede funcionar con su hardware específico. El sistema de control en tiempo real tiene la posibilidad de permitir a los muchos otros innovadores en computación cuántica tener un medio confiable de corrección de errores y así acelerar a toda la comunidad en su intento por ofrecer computación cuántica operativa.
Qué significa esto para la computación cuántica
Al abordar los errores cuánticos a través del control en tiempo real basado en períodos de tiempo cuántico, ahora tenemos en perspectiva la oportunidad muy real de llevar la computación cuántica a aplicaciones académicas y comerciales.
El valor de esto simplemente no se puede exagerar; nuestra comprensión de las interacciones atómicas y moleculares está enormemente limitada a lo que podemos observar empíricamente sobre cómo funcionan los catalizadores o las interacciones químicas de la superficie. Al utilizar la simulación por computadora cuántica, tenemos la posibilidad real de comprender cómo funciona realmente la naturaleza al verla en alta resolución y un enfoque nítido.
La computación cuántica supondrá a su vez importantes innovaciones en los campos de la medicina y los materiales en beneficio de la humanidad. Desde el descubrimiento revolucionario de fármacos hasta nuevos combustibles de energía limpia, la captura de dióxido de carbono y la lucha contra el cambio climático, nuestro futuro como especie bien puede depender del potencial computacional de la computación cuántica y la capacidad de superar el ruido de la naturaleza.