En un laboratorio de Broomfield, Colorado, 98 átomos están suspendidos en el aire, mantenidos en su lugar mediante campos eléctricos y enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto.
Cada átomo es mucho más pequeño que cualquier cosa que el ojo desnudo pueda ver jamás, pero cada uno transporta información en una forma que no tiene equivalente en la física clásica.
Juntos forman Helios, una nueva computadora cuántica construida por la empresa británico-estadounidense Quantinuum. Las computadoras cuánticas utilizan el poder de la mecánica cuántica, las reglas que gobiernan cómo opera la física a escalas atómicas y subatómicas. Aquellos que utilizan el modelo de átomos suspendidos de Helios se conocen como iones atrapados.
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Un artículo publicado en Nature lo describe como un procesador de 98 qubits con una precisión y un rendimiento muy altos que van más allá de lo que se puede simular fácilmente en máquinas clásicas. Eso suena impresionante, pero la pregunta importante no es simplemente si se trata de una computadora cuántica más grande (la más grande anterior, System Model H2, tenía 56 qubits). Se trata de si es mejor.
Las computadoras cuánticas no son sólo versiones más rápidas de las computadoras comunes. Los qubits (bits cuánticos) que utilizan para procesar información pueden existir en estados cuánticos que no se comportan como los unos y los ceros de la tecnología digital convencional.
Esto permite organizar algunos cálculos de manera que eventualmente puedan superar incluso a las supercomputadoras más grandes. Las posibles aplicaciones son fascinantes: nuevos materiales, mejores métodos de optimización, simulaciones químicas mejoradas y nuevos enfoques de la criptografía.
La dificultad es que los qubits son extremadamente frágiles. Les perturban las variaciones de temperatura, el control imperfecto, las interacciones no deseadas con el entorno y, en algunos sistemas, incluso el acto de mover información por el dispositivo.
Por este motivo, la carrera en la computación cuántica no pasa sólo por tener más qubits. Se trata de tener más qubits buenos, controlados con la suficiente precisión como para realizar cálculos largos y significativos.
Por qué es importante
Por eso es importante el resultado de Helios. La computación cuántica ha prometido cambiar el mundo durante décadas, pero muchos anuncios todavía tienden a centrarse en la cantidad de qubits.
Esto es como juzgar una carrera por el número de corredores en la línea de salida. Lo que importa es cuántos llegan a la meta y en qué condiciones. Helios se toma en serio ambos lados de ese desafío. Los 98 qubits no sólo son relativamente grandes; también informa tasas de error muy bajas a esta escala.
Los errores son más comunes en las computadoras cuánticas que en las clásicas, por lo que la corrección de errores es un gran desafío en esta área.
El artículo de Nature ofrece una tasa de error promedio para puertas de un solo qubit de aproximadamente 2,5 entre 100.000 para Helios. Una puerta cuántica es el componente básico de un circuito en las computadoras cuánticas. Para las puertas de dos qubits en Helios, que son más difíciles e importantes para un cálculo útil, la tasa de error promedio es de aproximadamente 7,9 en 10.000. Esto es similar a las mejores demostraciones de alrededor de 5 de cada 10.000 errores.
Las operaciones cuánticas son acumulativas. Un pequeño error en un paso puede no importar mucho, pero un algoritmo cuántico útil puede requerir miles, millones o más operaciones. Tasas de error más bajas significan que es posible realizar cálculos más complejos antes de que la información cuántica se desmorone.
La otra característica notable de Helios es la conectividad total. En muchas computadoras cuánticas, los qubits sólo pueden interactuar con sus vecinos más cercanos, algo así como las personas que sólo pueden hablar con quienes están sentados a su lado. Si dos qubits distantes necesitan interactuar, la información debe moverse a través de una cadena de pasos intermedios. Cada paso extra añade tiempo y error.
En Helios, cualquier qubit puede, en principio, interactuar con cualquier otro. Esto es especialmente valioso para algoritmos en los que el patrón de interacciones requerido no encaja perfectamente en una cuadrícula fija.
Ferrocarril cuántico
El hardware detrás de esto también es interesante. Las computadoras cuánticas de iones atrapados, como Helios, utilizan átomos cargados como qubits. Estos iones se retienen mediante campos eléctricos y se manipulan con pulsos de láser.
El enfoque es conocido por su alta precisión, pero ampliarlo manteniendo esa precisión es técnicamente difícil. Helios utiliza iones de bario en lo que se llama arquitectura de dispositivo cuántico de carga acoplada, o QCCD. Una forma útil de imaginarlo es como un pequeño ferrocarril cuántico.
Los iones pueden almacenarse en regiones de memoria y moverse físicamente a zonas de operación cuando el programa de computadora necesita realizar un cálculo utilizando qubits particulares. En esas zonas de operación, pulsos láser cuidadosamente controlados realizan los pasos básicos de un algoritmo cuántico, conocidos como puertas cuánticas. Estas puertas cambian el estado cuántico de un ion o vinculan los estados de dos iones, lo que permite que la computadora procese información. En Helios, un área de almacenamiento en forma de anillo y una unión ayudan a encaminar los iones alrededor del dispositivo.
Esta separación de almacenamiento, movimiento y computación no es sólo ingeniería inteligente. Es una señal de que la computación cuántica se está pareciendo más a un sistema informático completo que a una colección de impresionantes componentes de laboratorio.
La máquina también utiliza software que puede tomar decisiones de enrutamiento y control mientras se ejecuta un programa. En la práctica, esto significa decidir qué ion físico debe representar cada qubit, qué iones deben moverse a las zonas de operación y en qué orden deben realizarse las puertas cuánticas. Esto es importante para programas cuánticos más avanzados, especialmente aquellos en los que los pasos posteriores pueden depender de mediciones realizadas durante el cálculo.
Y el artículo informa que Helios puede ejecutar circuitos cuánticos aleatorios que serían extremadamente difíciles de simular en máquinas clásicas. Se trata de un punto de referencia importante, pero no es lo mismo que tener un ordenador cuántico de utilidad general. El muestreo aleatorio de circuitos prueba la potencia y la complejidad de la máquina; Por sí solo, no resuelve problemas en medicina, ciencia climática o ingeniería.
Entonces, ¿qué tan grande es el avance de Helios? Es un problema serio, porque aunque no sea el punto de llegada de una revolución cuántica, reúne escala, precisión, conectividad y programabilidad en una sola máquina.
Es un recordatorio de que las tecnologías transformadoras rara vez llegan de un solo salto; se construyen paso a paso, átomo a átomo, hasta que lo imposible empieza a parecer diseñado.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.