A pesar de toda su promesa, las computadoras cuánticas tienen dificultades para modelar las interacciones entre las dos familias de bloques de construcción que subyacen a nuestro Universo. ¿Te imaginas a un chef que lucha por describir cómo el azúcar y la leche hacen pastel?
Pero los investigadores pueden haber encontrado una manera de superar este desafío modelando una computadora cuántica teórica “híbrida” que promete combinar lo mejor de ambos mundos.
Las partículas fundamentales que componen el pastel cósmico de nuestra existencia se agrupan como fermiones o bosones.
En términos más simples, los fermiones son partículas de materia, incluidos electrones y protones, y los bosones incluyen partículas mediadoras de fuerzas, como los fotones (luz) que transportan la fuerza electromagnética.
Las computadoras cuánticas son excelentes para modelar fermiones porque son más discretas, al igual que los qubits que impulsan la computación cuántica.
Pero los bosones son más resistentes porque pueden ocupar el mismo estado cuántico y “superponerse”, lo que significa que se puede tener una pila cuántica de bosones infinitos.
Un nuevo marco teórico podría evitar este problema y potenciar la computación cuántica, gracias a un nuevo estudio de un equipo de físicos, ingenieros e informáticos, dirigido por Eleanor Crane, profesora de computación cuántica en el King’s College de Londres.
Como describen en la revista Physical Review X, los investigadores desarrollaron una estrategia de computación cuántica híbrida que incorpora dos tecnologías existentes: los qubits que alimentan las computadoras cuánticas y los resonadores de cavidad de microondas, pequeñas cajas que contienen campos electromagnéticos oscilantes.
Estos últimos ya se utilizan en superconductores, pero los investigadores prevén utilizarlos en cálculos para almacenar información cuántica.
Para replicar la acción de los bosones, las computadoras cuánticas deben usar muchos qubits, que son discretos como los fermiones, pero al ampliarlos también aumenta la tasa de error. La incorporación de resonadores podría evitar este problema y suponer un gran avance:
“Porque esto [hybrid framework] reduce el trabajo mil veces, los problemas químicos y de materiales de valor práctico podrían estar al alcance de las máquinas que se construyen hoy, mucho antes de que lleguen los grandes ordenadores con corrección de errores”, dicen los investigadores en el popular resumen de su trabajo.
Al sentar las bases para la integración digital fluida del sistema híbrido, es un poco como presentar a dos fanáticos de Star Trek de distintas regiones del mundo y hacer que se comuniquen a través del klingon como un idioma compartido.
Para ofrecer una base de referencia para la comparación entre la computación cuántica tradicional e híbrida, los investigadores desarrollaron modelos de un divisor de haz, que divide o combina la luz, y también un par de miniuniversos súper simplificados.
Por ejemplo, el modelado de calibres (2+1)-dimensional “notoriamente desafiante” comprende sólo dos dimensiones de espacio y la dimensión de tiempo, lo que nos retrotrae a los días de Pong o Sonic.
Esto puede parecer decepcionante dado el alboroto de los medios pop sobre la computación cuántica, pero en realidad es un punto científico óptimo.
Modelar cosas en una dimensión espacial es demasiado simple, y modelar cosas en las tres (+1) dimensiones de nuestro Universo conocido es un enorme desafío.
“Porque esto [hybrid framework] reduce el trabajo mil veces, los problemas químicos y de materiales de valor práctico podrían estar al alcance de las máquinas que se construyen hoy, mucho antes de que lleguen los grandes ordenadores con corrección de errores”, afirman los investigadores.
Quizás resulte sorprendente que las teorías (2+1) sean relevantes en el mundo real.
Por ejemplo, el grafeno que se dice que es el material más fuerte conocido es efectivamente bidimensional. Las interacciones bidimensionales también son vitales en la forma en que fluyen los electrones en los materiales superconductores, con importantes implicaciones para el almacenamiento de energía.
En general, los investigadores sugieren que la computación cuántica híbrida puede ser mucho más precisa y pronto.
Por ejemplo, para hacer coincidir el hardware qubit-bosón con una fidelidad por puerta del 99,9 por ciento (que es la precisión de una puerta lógica al modificar el estado cuántico de un qubit), una computadora de primera línea solo con qubit necesitaría fidelidades por puerta de al menos el 99,9999 por ciento.
Esta cantidad de “nueves” muestra una diferencia de tres órdenes de magnitud y actualmente es inalcanzable.
El hardware Qubit-bosón podría ayudar a esclarecer numerosos misterios destacados, como las interacciones de fonones (cuasipartículas de energía vibratoria) y electrones, proporcionando un modelo fundamental para los superconductores de alta temperatura.
Este trabajo también podría suprimir los errores de la computación cuántica al truncar las numerosas puertas lógicas de qubits que de otro modo deberían estar unidas, liberando aún más recursos al eliminar los “qubits ancilla” de estilo guardián utilizados para detectar errores.
Cualquiera que sea la estrategia, las consecuencias de la computación cuántica pueden cambiar el mundo:
“Comprender cómo las plantas transportan la luz solar para convertirla en energía, cómo algunos materiales transportan electricidad sin pérdidas o cómo los medicamentos se unen a sus objetivos podría mejorar las células solares, las redes eléctricas y los medicamentos”, explican los investigadores.
“Todos son problemas cuánticos demasiado difíciles para cualquier supercomputadora clásica, y todos involucran bosones: vibraciones o partículas de luz”.
Quizás el aspecto más intrigante de este trabajo es su aparente disponibilidad a la vuelta de la esquina, enfatizan los investigadores, ya que es un marco aplicable:
Si se pudiera combinar “simplemente” un qubit y un oscilador, se podrían lograr resultados de computación cuántica sinérgicamente mejores reduciendo el uso de recursos.
Afortunadamente, tanto los qubits como los osciladores son algo común.
“En mi opinión, el aspecto más alentador de esta propuesta es lo modestos que son los requisitos de hardware. Estos requisitos pueden ser satisfechos por dispositivos a corto plazo sin esperar la corrección de errores cuánticos”, dice Anthony Ciavarella, científico investigador computacional del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, en California.
“Este trabajo proporciona un objetivo concreto para el desarrollo de hardware, y las fidelidades de puerta requeridas están cerca de lo que los dispositivos existentes ya logran”.
La investigación ha sido publicada en Physical Review X.
Este artículo fue verificado por Fiona MacDonald y editado por Fiona MacDonald. Si bien nos enorgullecemos de nuestro proceso, somos humanos. Si detecta un error, háganoslo saber.