Computación cuántica: la carrera de la década

En el siglo XIX, Richard Feynman propuso que la computación cuántica podría ser una herramienta efectiva para resolver problemas en física y química, así como exponencialmente reducir el costo para simular sistemas cuánticos, cuando se compara con la computación clásica. Realizar la visión de Feynman ha significado una serie de retos teóricos y experimentales a través de décadas de trabajo arduo. 

Primero ¿Puede un sistema cuántico ser diseñado para realizar cálculos lo suficientemente grandes y con una tasa baja de errores para justificar su existencia? Segundo, ¿Se podrá formular un problema que es difícil para un computador clásico, pero fácil para uno cuántico?  

En la carrera por la computación cuántica, empresas como Google e IBM han hecho investigaciones importantes.

Recientemente, Google declaró haber conseguido el primer procesador cuántico en la historia conocido como Scymore, que consiste en un arreglo bidimensional de 54 qubits, donde cada qubit está acoplado con otros 4 vecinos en una malla rectangular. Una clave del diseño en este procesador yace en la posibilidad de alcanzar alta fidelidad en operaciones con uno y dos qubits simultáneamente, no solamente en aislamiento, sino también en condiciones realistas de computación con operaciones múltiples en más de dos qubits.  

“This dramatic speed-up relative to all known classical algorithms provides an experimental realisation of quantum supremacy on a computational task and heralds the advent of a much-anticipated computing paradigm”

Financial Times

El procesador Sycamore está fabricado utilizando aluminio para la metalización e Indio, para los espacios entre dos qubits, utiliza qubits de tipo “transmon” que pueden ser sometidos a resonadores de superconducción no lineales a una frecuencia de entre 5 y 7 GHz, cada qubit tiene dos estados, uno que recibe señales de microonda para excitar el qubit y el control a través de flujo magnético para ajustar la frecuencia a la que éste trabaja.

Cada uno de los transmon está conectado a un resonador lineal, utilizado para leer el estado del qubit. El diseño de permite el rápido ajuste qubit-qubit modificando de cero a 40 Mhz. Dado que un qubit no funciona correctamente por sí solo, el procesador utiliza 54 de ellos y 86 acoplamientos entre ellos.  En los experimentos que Google ha realizado en su procesador con qubits superconductores, éstos pueden realizar computaciones en un espacio Hilber de 9 × 10^15 dimensiones, más allá del alcance que pudiera tener el procesador clásico más potente disponible actualmente. 

Estos cálculos son el primer indicio de computaciones que sólo pueden ser alcanzadas a través de computadores cuánticos. Se estima que ese poder computacional siga creciendo exponencialmente en los próximos años, de mantenerse dicha hipótesis, pronto será posible correr algoritmos teóricos que se han propuesto a través de los años, como el algoritmo de Shor, o el algoritmo de Grover.  

Algunos expertos afirman que la computación cuántica es imposible de realizar correctamente y algunas estimaciones matemáticas implican que los errores al hacer cálculos son lo suficientemente grandes como para que los ordenadores cuánticos sean prácticamente inutilizables, sin embargo, como hemos visto empresas como Google intentan demostrar lo contrario.

La computación cuántica promete ser el próximo gran salto tecnológico de la humanidad y afianzarse como fuente inagotable de potencia computacional para resolver problemas que no pueden ser alcanzados a través de la computación clásica. Desde Sólo es Ciencia, estaremos muy pendientes de lo que Google e IBM tengan que mostrar en la carrera cuántica.  

Fuentes:

Quantum supremacy using a programmable superconducting processor – Google AI Quantum and collaborators.

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