Computadoras cuánticas y experimentos de dominancia cuántica

Los científicos están pensando en lo que se puede hacer con pequeños procesadores cuánticos. Al final del camino, incluso si no alcanzamos el pico de millones de personas que soñamos, se harán grandes esfuerzos en los campos de las matemáticas, la física, la informática y la ingeniería de materiales.

DR. MUSTAFA GĞNDOĞAN

La informática y las comunicaciones cuánticas han ocupado un lugar destacado en la agenda, especialmente en los últimos años, y los estados y las grandes empresas están transfiriendo grandes sumas de dinero a la región. El objetivo final aquí es desarrollar computadoras cuánticas que sean demasiado rápidas para resolver algunos problemas que son difíciles o imposibles de lograr con las computadoras tradicionales.

Desafortunadamente, esto también está muy abierto a especificaciones, porque el tema se basa en reglas interesantes pero incomprensibles como la mecánica cuántica. Y muchas preguntas son interesantes de responder: ¿Qué hacen exactamente las computadoras cuánticas? ¿Puede realmente ir más allá de eso? Si se puede hacer, ¿cuándo llegará a nuestras vidas? En este artículo, responderemos estas preguntas y hablaremos sobre experimentos recientes.

En primer lugar, las computadoras cuánticas no están diseñadas para ver películas rápidas en su hogar ni para configurar servidores locales en su empresa. Algunos algoritmos especiales que usan principios básicos como la superposición y el acertijo de la física cuántica están tratando de desarrollar para ciertos problemas. El primero y más complejo de ellos fue el algoritmo de factores desarrollado en 1994 por el matemático Peter Shore. Los primeros experimentos en esta área se iniciaron a principios de la década de 2000 al factorizar los números 21, 3 y 7. La importancia de este problema es que la mayoría de los sistemas de cifrado actuales se basan en estas funciones matemáticamente: tener una computadora cuántica que funcione correctamente en su puerta significa un gran problema de seguridad para todos. Esto se debe a que las computadoras cuánticas tienen el potencial de descifrar una contraseña que lleva millones de años descifrar con las computadoras tradicionales. Por tanto, la computación cuántica es un área de investigación estratégica para muchos países dentro del ámbito de la seguridad nacional.

Pero, ¿estos dispositivos se fabricarán en el mundo real o sobrevivirán como objetos reales de ciencia ficción en la cultura popular? Existen muchas barreras para la realización de estos dispositivos en el entorno del laboratorio. El primero de ellos es la distorsión de los estados cuánticos de los átomos o circuitos superconductores, en los que la información cuántica está codificada por una ligera interacción ambiental. Por lo tanto, la mayoría de los sistemas funcionan a temperaturas muy bajas incluso en el vacío. Otra es que cada salida que se utilizará en el cálculo (la unidad de información cuántica más pequeña que puede tomar cualquier valor entre 0 y 1, a diferencia del bit que solo contiene 0 o 1 en el cálculo clásico) debe controlarse individualmente con mucha mayor precisión. El procesador cuántico Sycamore de Google, del que escuchamos muchas noticias el año pasado y alcanzó el dominio cuántico por primera vez, con 53 interrupciones superconductoras operando a temperaturas muy bajas. Con este dispositivo, Google afirma que una computadora tradicional puede completar un proceso en 200 segundos en 10 mil años. Por otro lado, este proceso no se realiza en gran medida en el mundo práctico, por ejemplo, las combinaciones de circuitos que crean estas 53 salidas. IBM ha intentado demostrar que la ventaja cuántica demostrada por las supercomputadoras sucederá en unos pocos días en lugar de solo 10 mil años, para demostrar que no es tanto.

Llegados a este punto, podemos hablar del experimento que anunció China en las últimas semanas. A diferencia de Google, IBM y algunas otras grandes empresas, el experimento en China utilizó un sistema completamente diferente, un procesador basado en luz, en lugar de una colcha de material hecha con circuitos nucleares o superconductores. Aquí las salidas son diferentes estados cuánticos codificados como partículas de luz únicas (fotones). La ventaja de este sistema es que estas condiciones, codificadas en fotones, no se ven afectadas en gran medida por la temperatura o los factores ambientales (puede pensar en sus gafas de sol polarizadas; no cambian la forma en que funcionan en climas cálidos o fríos) y no requieren refrigeradores especiales o equipos de vacío. El problema que resuelven aquí es similar al diseño de circuitos de Google: ¿cómo se mueven los fotones en la ruta o circuito específico que encuentran? En este punto, el número de caminos posibles aumenta exponencialmente dependiendo del número de fotones involucrados en el experimento, diseñado para resolver el problema del prototipo del bosón gaussiano, una variación del problema del prototipo del bosón propuesto en 2011. Entonces este número, que es 4 para 2 fotones, es de 3 a 8, 16… 4. El número de estados cuánticos producidos en este experimento con 50 fotones (y dos polarizaciones por fotón) es aproximadamente 10 ^ 30 (1 más treinta ceros, mil veces mayor que el número de átomos en el cuerpo humano). Estimaron que este cálculo experimental, realizado en unos 200 segundos, llevaría unos 600 millones de años con la supercomputadora más poderosa del mundo.

Los experimentos de propósito cuántico de los que hablamos en este artículo en realidad solo se denominan las primeras etapas de un viaje muy largo. Se sabe que el número total de abandonos necesarios para problemas “viables” como el algoritmo de Shore es de millones. Aunque este número es actualmente de alrededor de 100 y se espera que aumente a 1000 en los próximos años, es necesario abordar muchas cuestiones de ciencia e ingeniería básicas para alcanzar el nivel del millón. Mientras los científicos están trabajando en este tema, también están pensando en lo que se puede hacer con los procesadores cuánticos a pequeña escala. Al final del camino, aunque es posible que no podamos alcanzar el pico del millón de abandonos, podemos estar seguros de que se harán grandes esfuerzos en los campos de las matemáticas, la física, la informática y la ingeniería de materiales.

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