¿Existen ya las computadoras cuánticas completas o pasará una década antes de que surjan? ¿Tendrán que ser del tamaño de un campo de fútbol? ¿Un gabinete de centro de datos? ¿Un horno de microondas?
Parece que cuanto más hablas con los científicos informáticos involucrados en la búsqueda de la computación cuántica, menos seguras se vuelven las respuestas. Es la otra cara del caso clásico del gato de Schrödinger, que está tanto vivo como muerto hasta que abres la caja: las computadoras cuánticas pueden considerarse ya vivas o aún no nacidas.
Por ejemplo, Microsoft está trabajando en una computadora cuántica de pila completa basada en una tecnología exótica que se espera que se haga realidad en la escala de tiempo de una década. IonQ, con sede en Maryland, ha estado comercializando sus sistemas cuánticos desde 2019 y planea comenzar a construir computadoras cuánticas de próxima generación el próximo año en una instalación de investigación y fabricación en Bothell, Washington. Mientras tanto, D-Wave Systems, que tiene su sede cerca de Vancouver , BC, vende hardware cuántico desde hace más de una década.
Entonces, ¿las computadoras cuánticas están listas para el horario de máxima audiencia? Los investigadores dicen que no lo son y que la línea de tiempo para el desarrollo es borrosa. Todo depende de cómo defina las computadoras cuánticas y los tipos de problemas que espera que manejen.
«Siempre hay una sutileza en la generación de estas estimaciones, porque nadie ha demostrado experimentalmente un qubit lógico que funcione, ya sea IonQ o Microsoft o cualquiera de las plataformas experimentales», dijo Rahul Trivedi, profesor de ingeniería de la Universidad de Washington que se especializa en sistemas cuánticos.
Irónicamente, o apropiadamente, el ruido cuántico juega un papel importante en la incertidumbre. “Muchas de estas estimaciones se basan en modelos de ruido”, dijo Trivedi. “La gente cree que funcionan y describen bastante bien su experimento. Pero luego amplía sus experimentos y comienza a descubrir las deficiencias en sus modelos de ruido, y luego los actualiza, y todos estos números siguen cambiando muy rápidamente”.
Preguntas sobre qubits
En contraste con el enfoque clásico de la computación, que se basa en la manipulación bien entendida de unos y ceros, la computación cuántica se basa en las extrañas propiedades de la física cuántica, donde un solo bit cuántico, también conocido como qubit, puede representar múltiples valores. hasta que se lean los resultados.
Las grandes compañías tecnológicas como Microsoft, Google, IBM e Intel están tratando de aprovechar los circuitos superconductores para crear sus qubits, mientras que otras compañías, incluidas IonQ y Quantnuum, están utilizando iones atrapados en su lugar. D-Wave va con un enfoque diferente llamado recocido cuántico, que aplica métodos cuánticos a tipos especiales de problemas.
La cantidad de qubits contenidos en un procesador a menudo se usa como una métrica para el progreso en la búsqueda cuántica. En noviembre pasado, por ejemplo, IBM anunció que creó un procesador de 433 qubits llamado Osprey, con el objetivo de superar los 4.000 qubits para 2025.
Pero los investigadores hacen una distinción entre los qubits físicos, la materia prima para los cálculos cuánticos, y los qubits lógicos, es decir, los componentes básicos confiables para dichos cálculos. Debido a que los sistemas cuánticos son inherentemente ruidosos y están sujetos a errores, construir un qubit lógico para una computadora cuántica tolerante a fallas podría requerir la combinación de hasta 1,000 qubits físicos.
El equipo de Microsoft estima que una computadora cuántica requerirá un millón de qubits físicos para corregir errores y lograr una ventaja en la resolución de problemas que vale la pena resolver. Es por eso que Microsoft se está enfocando en nanocables superconductores para sus qubits.
“Estamos hablando de un millón de qubits físicos como punto de partida. Un millón”, dijo Krysta Svore, vicepresidenta de desarrollo cuántico avanzado de Microsoft, en la cumbre Northwest Quantum Nexus de la semana pasada. “Entonces, si su qubit no es del tamaño correcto, podría terminar siendo del tamaño de un campo de fútbol”.
El CEO de IonQ, Peter Chapman, tiene una perspectiva diferente sobre la cuestión del qubit.
“Si tengo un millón de qubits, todavía tendré una tasa de error”, dijo a GeekWire durante la cumbre de la semana pasada. “Entonces, el tamaño del programa que ejecuto no está dictado por la cantidad de qubits. Está dictado por las fidelidades de la puerta.
Chapman argumentó que Microsoft y otras empresas que dependen de circuitos superconductores están llegando a un punto muerto en el nivel de fidelidad que pueden lograr con un solo qubit físico y, por lo tanto, tienen que emplear muchos qubits físicos para la corrección de errores. Dijo que el sistema de iones atrapados de IonQ podrá hacer más con menos, debido a la mayor fidelidad de la puerta.
El sistema de computación cuántica de IonQ, por ejemplo, utiliza 32 qubits físicos de iones atrapados para crear 25 qubits algorítmicos, una medida creada por IonQ que parece ser más o menos equivalente a los qubits lógicos, pero se calcula utilizando una fórmula diferente.
Chapman dijo que las futuras generaciones de computadoras aumentarán ese número. Una de las diapositivas que se muestran en la cumbre sugiere que IonQ tiene como objetivo 64 qubits algorítmicos en 2025 y 1024 AQ en 2028.
Las computadoras de IonQ son del tamaño de los gabinetes que podría ver en un centro de datos de computación en la nube. Chapman dijo que la operación de la compañía en Bothell construirá computadoras destinadas a mercados más amplios.
“Uno de los objetivos de Seattle es producir mucho más un producto para el usuario final, un usuario final aquí probablemente sea una universidad o una organización gubernamental”, dijo. «Lamentablemente, será un servidor algo aburrido».
Cuántica: ¿Para qué sirve?
¿Por qué molestarse con la computación cuántica en primer lugar? Los investigadores dicen que ciertos tipos de problemas se resuelven más fácilmente con los procesadores cuánticos que con los procesadores clásicos, incluidos algunos problemas que serían imposibles de resolver de la manera clásica.
El enfoque cuántico se adapta particularmente bien a los desafíos que implican analizar una amplia gama de posibilidades para encontrar una solución óptima. Por ejemplo, Microsoft dice que un objetivo inicial sería aprovechar un nuevo método para la fijación de nitrógeno, esencialmente, un fertilizante más fácil de fabricar. Microsoft también ha trabajado con Ford para optimizar el flujo de tráfico utilizando simulaciones de inspiración cuántica.
Los defensores de la computación cuántica pueden hablar de abordar el cambio climático y otros desafíos globales, pero Trivedi de UW dijo que no todos los problemas son iguales.
“En los próximos años, los problemas por los que la gente está interesada en usar estas máquinas no son exactamente problemas arbitrarios”, dijo. “Son problemas que surgen al simular sistemas físicos, y son problemas que surgen al comprender cómo se comportan los químicos o las moléculas, o cómo se comportan ciertos materiales. En muchos de estos problemas, en realidad no está buscando una respuesta cuantitativa muy precisa. No buscas un número, sino una tendencia”.
En tales casos, incluso una respuesta ligeramente incorrecta podría estar bien.
“A menudo puede salirse con la suya con sistemas ruidosos, por lo que realmente no necesita una corrección de errores completa para poder hacer esto”, dijo Trivedi. “Entonces, para esos problemas, si tiene una máquina como la máquina de iones atrapados que tiene IonQ, o incluso si es gente de qubits superconductores, como Google, etc., tal vez esos problemas sean accesibles sin necesidad de un millón de qubits. .”
Otro profesor de ciencias de la computación en la UW, Andrea Coladangelo, dijo que los primeros sistemas de computación cuántica podrían conducir a una vida mejor a través de la química. “La gente espera ciertos tipos de algoritmos para la simulación de sistemas químicos”, dijo. Por ejemplo, los equipos de investigación están experimentando con enfoques cuánticos para una clase de algoritmos conocidos como simulación hamiltoniana, que pueden identificar el estado de baja energía de una reacción química.
“Eso puede usarse para diseñar nuevos materiales”, dijo Coladangelo.
Por otro lado, los problemas matemáticos complejos, por ejemplo, encontrar los factores primos de números grandes, serán más difíciles de resolver. Tales problemas son de gran preocupación para los expertos en seguridad, porque la factorización prima es uno de los pilares que actualmente respaldan las comunicaciones y transacciones en línea seguras. El gobierno federal ya está planeando el día en que los piratas informáticos cuánticos intentarán descifrar los códigos que protegen su cuenta bancaria.
Afortunadamente, Trivedi dijo que descifrar códigos criptográficos se ubicaría entre las tareas más desafiantes que pueden asumir las computadoras cuánticas. “Eso es probablemente muy difícil, especialmente por la escala de números que la gente usa en la criptografía RSA”, dijo Trivedi. “No son números pequeños. Son números muy, muy grandes. Entonces eso no sucederá en el futuro cercano”.
Si hay una nueva era cuántica brillante por delante, no es probable que amanezca en un día específico. Microsoft, Amazon, Google, IBM, IonQ, D-Wave y otras empresas ya ofrecen herramientas cuánticas basadas en la nube que los desarrolladores pueden probar, y las plataformas informáticas híbridas incorporarán gradualmente más y más ofertas inspiradas en la tecnología cuántica.
Entonces, cuando se trata de determinar si las computadoras cuánticas están vivas o no, es probable que haya más de una ocasión durante la próxima década o dos para abrir la caja y averiguarlo.
