La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa del Pentágono está apostando por el esfuerzo de larga duración de Microsoft para crear una computadora cuántica a escala industrial que aproveche las propiedades exóticas de los nanocables superconductores.
Microsoft es una de las tres empresas seleccionadas para presentar conceptos de diseño como parte de un programa de cinco años conocido como Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing, o US2QC. El programa DARPA es solo el último ejemplo que muestra cómo el apoyo del gobierno es una fuerza impulsora para hacer avanzar las fronteras de la computación cuántica, en un momento en que esas fronteras todavía están envueltas en incertidumbre.
“Los expertos no están de acuerdo sobre si una computadora cuántica a escala de servicios públicos basada en diseños convencionales aún está a décadas de distancia o podría lograrse mucho antes”, dijo Joe Altepeter, gerente del programa US2QC en la Oficina de Ciencias de Defensa de DARPA, en un comunicado de prensa. “El objetivo de US2QC es reducir el peligro de una sorpresa estratégica de los sistemas de computación cuántica poco explorados”.
Altepeter dijo que DARPA hizo un llamado para que las empresas se pusieran en contacto si tenían un enfoque que pensaran que conduciría a la creación de una computadora cuántica útil de propósito general en menos de 10 años. “Ofrecimos colaborar financiando a expertos adicionales para que se unan a su equipo y proporcionen una verificación y validación gubernamentales rigurosas de sus soluciones propuestas para determinar su viabilidad”, dijo.
El resultado podría conducir a un «ganar-ganar», dijo Altepeter: las tecnologías comerciales de las empresas recibirían un impulso, mientras que la comunidad de seguridad nacional del gobierno federal podría «evitar ser sorprendida» por efectos potencialmente disruptivos.
Las otras empresas que se unen a Microsoft en el programa US2QC son Atom Computing, que trabaja para aprovechar las propiedades cuánticas de los átomos atrapados ópticamente; y PsiQuantum, que explora las capacidades de la fotónica basada en silicio. Ambas empresas tienen su sede en California.
En la fase inicial del programa, cada una de las empresas presentará un concepto de diseño que describa sus planes para crear una computadora cuántica a gran escala. Esos conceptos guiarían el desarrollo de diseños de sistemas más rigurosos y completos, que serían evaluados por un equipo de prueba y validación dirigido por DARPA.
Trucos topológicos
La búsqueda cuántica implica un enfoque de la computación que es radicalmente diferente del mundo tradicional de los ceros y unos electrónicos. Los qubits, o bits cuánticos, pueden representar múltiples valores simultáneamente hasta que se leen los resultados. Eso hace que la computación cuántica sea potencialmente más poderosa para ciertos tipos de problemas, como examinar grandes conjuntos de datos para encontrar soluciones óptimas.
Las aplicaciones podrían incluir la creación de nuevos productos químicos para mejores baterías, fertilizantes más efectivos o nuevos tipos de medicamentos. Más allá de la química, la computación cuántica podría optimizar sistemas que van desde rutas de tráfico y redes de comunicación interplanetaria hasta servicios financieros.
Pero, ¿qué tipo de hardware sería el más adecuado para la computación cuántica? Microsoft ha estado explorando el potencial de una arquitectura qubit topológica durante más de una década. El año pasado reportó un avance significativo en su esfuerzo cuando encontró evidencia de un fenómeno exótico conocido como modo cero de Majorana.
Una computadora cuántica basada en la arquitectura de Microsoft funcionaría induciendo y manipulando los modos cero de Majorana en los extremos de los cables superconductores topológicos. Demostrar que tales modos realmente existen marcó un gran paso para hacer realidad el concepto de Microsoft.
Microsoft estima que una computadora cuántica tendría que tener al menos un millón de qubits físicos para resolver el tipo de problemas que las computadoras clásicas no pueden manejar. Si esos qubits físicos no tienen el tamaño correcto, el hardware necesario «podría terminar siendo del tamaño de un campo de fútbol», dijo Krysta Svore, vicepresidenta de desarrollo cuántico avanzado de Microsoft, la semana pasada en la Cumbre Northwest Quantum Nexus.
“Entonces, en Microsoft, nos hemos centrado en un qubit que sea perfecto, y ese es el qubit topológico”, dijo Svore.
Los hallazgos del año pasado aumentaron la confianza de Microsoft en su enfoque, pero se necesitará mucha más investigación y desarrollo para producir una computadora cuántica topológica de pila completa. “Necesitamos el qubit que sea perfecto y necesitamos un sistema que lo rodee”, dijo Svore. “Necesitamos integrarnos dentro de la nube más grande, ¿verdad? Necesitamos integrarnos con una inmensa cantidad de computación clásica. … Al mismo tiempo, también necesitamos diseñar y codiseñar software y hardware juntos”.
Preocupaciones de seguridad nacional
El gobierno federal está interesado en la computación cuántica por varias razones.
“El primer objetivo de Estados Unidos es promover esta tecnología”, dijo Charles Tahan, director de la Oficina Nacional de Coordinación Cuántica de la Oficina de Política Científica y Tecnológica de la Casa Blanca, en la cumbre de la semana pasada. “Tenemos que mantener nuestro liderazgo en tecnología de la información cuántica. Eso significa más inversión en investigación y desarrollo, más inversión en programas de desarrollo de la fuerza laboral y más asociaciones con el sector privado, pero también [with] nuestros socios internacionales”.
Otros objetivos se relacionan con la seguridad nacional. “Lo que más habrías visto en las noticias es que la nación se esté moviendo hacia la criptografía cuántica resistente”, dijo Tahan.
En teoría, las computadoras cuánticas podrían resolver los desafíos relacionados con la factorización de números primos grandes, una rama de las matemáticas que desempeña un papel clave en las comunicaciones y transacciones financieras seguras en línea. “Con el potencial de una computadora cuántica tolerante a fallas, si tuviera una máquina de este tipo, podría romper RSA y otras formas de criptografía de clave pública”, dijo Tahan. «Dadas las escalas de tiempo de cómo la nación debe proteger la información durante 25 años, incluso 50 años, es realmente fundamental que pasemos a la criptografía cuántica resistente ahora».
Proteger la información del descifrado de códigos cuánticos es la otra cara de la moneda de descubrir cómo funciona una computadora cuántica. Mientras tanto, el gobierno federal debe proteger la tecnología estadounidense para que no sea robada por rivales globales, dijo Tahan.
“Tomará una década o más pasar a la criptografía cuántica resistente, si lo hacemos bien”, dijo. “Mientras hacemos eso, necesitamos proteger nuestras inversiones, tanto para nuestra seguridad económica como para nuestra seguridad nacional”.
China es el principal rival. El mes pasado, investigadores chinos crearon revuelo cuando informaron que habían encontrado una forma de descifrar el algoritmo RSA que subyace en la mayoría de los esquemas de encriptación de datos. Expertos externos dijeron que las preocupaciones resultantes eran exageradas; sin embargo, el informe demostró cuán serio podría ser lo que está en juego.
Peter Chapman, director ejecutivo de la compañía de computadoras cuánticas IonQ, vio las afirmaciones chinas como «un tiro al arco».
“Simplemente muestra que… alguien podría tener una nueva idea y de repente estaríamos en riesgo”, dijo Chapman en la cumbre de la semana pasada. “Entonces, debemos tomar esto mucho más en serio de lo que lo hacemos actualmente”.
Chapman dijo que se necesitará apoyo federal e inversión privada para garantizar el liderazgo de Estados Unidos en la búsqueda cuántica. Ya puede señalar un ejemplo temprano: la colaboración de IonQ con el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico en un nuevo método para producir iones de bario para futuras computadoras cuánticas. El proceso formará parte de la cadena de suministro comercial a partir del próximo año cuando IonQ intensifique las operaciones en sus instalaciones de investigación y fabricación en Bothell, Washington.
“La forma en que ganemos contra lugares como China será una asociación público-privada, y el lado público debe poder alentar al lado privado a invertir en eso. Es, por así decirlo, lo mismo que hicimos al principio de los semiconductores. Había un par de compañías como Fairchild que estaban trabajando intensamente en circuitos integrados, y la NASA proporcionó el mercado inicial para ellos”, dijo Chapman. “Por supuesto, eso proporcionó el ímpetu para poder invertir en esa tecnología en particular. El resto es historia, por así decirlo”.
Hasta ahora, el sector público «ha hecho un muy buen trabajo asegurándose de que los faros estén encendidos» mientras las empresas de tecnología avanzan por la superautopista de la información cuántica, dijo Sebastian Hassinger, quien está a cargo del desarrollo comercial mundial y la estrategia de comercialización de computación cuántica en Amazon Web Services.
“Esencialmente, no es algo que se pueda dejar en manos de los mercados privados”, dijo Hassinger a GeekWire. “Puedes ver eso solo en cuán pocos fondos de riesgo están invirtiendo en cuántica. Es más difícil de hacer porque se trata de horizontes mucho más largos y mucha más incertidumbre de lo que el fondo típico está configurado para hacer. … No faltan de tres a cinco años para la salida”.
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