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» » Computación cuántica sin qubits

Referencia: Quanta.Magazine.org .
“Quantum Computing Without Qubits”
por Peter Byrne, 22 de enero 2015

* * * *
Un pionero de la computación cuántica explica por qué los simuladores analógicos pueden vencer a las máquinas cuánticas digitales de propósito general, por ahora.
Durante más de 20 años, Ivan H. Deutsch ha tenido problemas para diseñar las entrañas de un ordenador cuántico. Él no ha estado solo. La búsqueda para aprovechar el poder computacional de la rareza cuántica sigue ocupando a cientos de investigadores de todo el mundo. ¿Por qué no se ve más su trabajo? Tal como los físicos ya conocen desde los inicios de la computación cuántica, las mismas características que hacen de la computación cuántica además de exponencialmente poderosa también la hacen endiabladamente difícil de controlar. La computación cuántica ha sido siempre una "pesadilla", cuya ventaja en velocidad de podría ser eliminada debido a la complejidad de la máquina.

Ivan H. Deutsch
Sin embargo, el progreso está llegando en dos frentes principales. En primer lugar, los investigadores están desarrollando técnicas de corrección de errores cuánticos exclusivos que ayudarán a mantener los procesadores cuánticos funcionando durante el tiempo necesario para completar un cálculo. En segundo lugar, los físicos están trabajando con los llamados simuladores cuánticos analógicos, máquinas que no pueden actuar como ordenadores de propósito general, sino que están diseñados para explorar problemas específicos de la física cuántica. Un ordenador clásico tendría que trabajar durante miles de años para calcular las ecuaciones cuánticas de movimiento de tan sólo 100 átomos. Un simulador cuántico podría hacerlo en menos de un segundo.

Las revista Quanta ha charlado con Deutsch sobre los recientes progresos en este campo, sus esperanzas para el futuro próximo, y su propio trabajo en el Centro de Información Cuántica y Control de la universidad Nuevo México, sobre la escalabilidad de bits cuánticos binarios con base de 16 dígitos.

QUANTA Magazine: ¿Por qué una máquina cuántica universal es tan única y poderosa?

Ivan Deutsch: En un ordenador clásico, la información se almacena en codificados bits binarios recuperables como 0 ó 1. Pero en un ordenador cuántico, las partículas elementales habitan en un limbo probabilístico llamado superposición, donde un "qubit" puede ser codificado como 0 y 1.

Aquí está la magia: Cada qubit puede entrelazarse con los otros qubits de la máquina. El entretejido cuántico de "estados" aumenta exponencialmente el número de 0 y de 1 que pueden ser procesados simultáneamente por una serie de qubits. Las máquinas que mejor aprovechen el poder de la lógica cuántica son las que pueden hacer frente a mayores niveles exponenciales de complejidad que el ordenador clásico más potente. Los problemas que tendría el más avanzado ordenador clásico  para resolver la edad de nuestro universo, en teoría, podrían ser resueltos por un ordenador cuántico universal en horas.

¿Cuál es la "pesadilla" de la computación cuántica?

Los mismos efectos cuánticos que convierten en un ordenador cuántico tan increíblemente rápido, también lo hacen muy difícil de manejar. Desde el principio, no había quedado claro si la velocidad exponencial proporcionada por un ordenador cuántico sería cancelada por la complejidad exponencial necesaria para proteger que el sistema falle.

¿Una situación desesperada?

De ningún modo. Ahora sabemos que un ordenador cuántico universal no requiere una complejidad exponencial en el diseño. Pero sigue siendo muy difícil.

Entonces, ¿cuál es el problema, y cómo hacernos con él?

El problema del hardware es que la superposición es tan frágil que la interacción aleatoria de un simple qubit con las moléculas que componen su entorno inmediato, puede causar toda una red de qubits entrelazados para desvincular o colapsar. El cálculo en curso se destruye, ya que cada qubit se transforma en un bit clásico digitalizado sosteniendo un único valor: 0 ó 1.

Un banco de pruebas de ordenador cuántico que
Deutsch está trabajando con su colega
Poul Jessen en la Universidad de Arizona.
En los ordenadores clásicos, reducimos la inevitable pérdida de información mediante el diseño de una gran cantidad de redundancia en el sistema. Los algoritmos de corrección de errores comparan las múltiples copias de salida. Seleccionan la respuesta más frecuente y descartan el resto de datos, como ruido. No podemos hacer eso con un ordenador cuántico, porque al tratar de comparar directamente los qubits el programa se colgará. Aunque estamos aprendiendo gradualmente cómo mantener sistemas de qubits entrelazados desde su colapso.

El principal obstáculo, en mi opinión, es crear el software de corrección de errores que se pueda mantener los datos corrompidos como un cálculo que procede hacia una lectura final. El gran truco consiste en diseñar e implementar un algoritmo que sólo mida los errores y no los datos, preservando así la superposición que contenga la respuesta correcta.

¿Se podrá poner fin a la pesadilla?

Resulta que la técnica de corrección de errores en sí misma ya introduce errores. Uno de los más maravillosos avances en la computación cuántica son, en teoría, el reconocer que podemos corregir los nuevos errores sin requerir de un 100 por ciento de precisión, lo cual permite que un menor ruido de fondo pueda contaminar el cálculo conforme se ejecuta. Bueno, en realidad, no podemos hacer esto, todavía. La razón principal de que no tengamos trabajando un ordenador cuántico universal es que todavía estamos experimentando con la forma de implantar un algoritmo "tolerante a fallos" en un circuito cuántico. Ahora mismo, podemos controlar 10 qubits razonablemente bien; pero no existe una técnica de corrección de errores, que yo sepa, capaz de controlar los miles de qubits necesarios para construir una máquina universal.

¿Es en eso en lo que estás trabajando?

Yo estudio las capacidades de procesamiento de información de los átomos atrapados. Mi colega, Poul Jessen, de la Universidad de Arizona y yo, estamos empujando el poder lógico más allá de los qubits basados en binarios. Por ejemplo, ¿podemos controlar la superposición de un átomo con, digamos, 16 niveles de energía diferentes? Usando la base 16, entonces podemos guardar lo que llamamos un "qudit" en un solo átomo. Eso nos lleva más allá de la velocidad de procesamiento de la información que puede obtenerse mediante un sistema de base 2, el qubit.

¿Qué otras opciones tenemos?

Puede haber importantes aplicaciones disponibles para la fabricación de máquinas no universales: propósitos especiales, simuladores cuánticos analógicos diseñados para resolver problemas específicos, como trabajan los superconductores a temperatura ambiente  o cómo se pliegan determinadas proteínas.

¿Son realmente computadoras?

Las máquinas universales no son capaces de resolver cualquier tipo de pregunta. Pero pongamos por caso querer modelar el cambio climático global. Una forma de hacer esto es escribir un modelo matemático y luego resolver las ecuaciones en un ordenador digital. Esto es, por lo general, lo que hacen los climatólogos. Otra forma es tratar de simular algún aspecto del clima de la Tierra en un experimento controlable. Puedo crear un sistema físico simple que obedece a las mismas leyes del movimiento como el sistema que estoy ensayando de modelo, nitrógeno mezclado, oxígeno e hidrógeno en un tanque, por ejemplo. Lo que sucede en el interior del tanque es un cálculo real que me dice algo acerca de la turbulencia atmosférica en determinadas condiciones.

Es lo mismo con un simulador cuántico analógic, uso un sistema físico controlable para simular otro. Por ejemplo, simulando con éxito un superconductor con un dispositivo de este tipo, revelaría la mecánica cuántica de superconductividad de alta temperatura. Esto podría conducir a la fabricación de materiales superconductores transitorios para muchos usos, incluyendo la creación de circuitos cuánticos menos frágiles. Espero que podamos aprender a construir un robusto ordenador universal digital mediante la experimentación con simuladores analógicos.

¿Alguien ha construido un simulador cuántico analógico de trabajo?

En 2002, un grupo en el Instituto Max Planck en Alemania, construyó una red óptica --un cartón de huevos super-refrigerados hechos de luz-- y controlado por fuertes pulsos distintos de haces láser. Éste era un dispositivo fundamentalmente analógico, diseñado para obedecer a las ecuaciones de movimiento de la mecánica cuántica. La cuestión es que se simuló con éxito cómo átomos de transición entre su actuación como superfluidos o como aislantes. Ese experimento provocó un gran trabajo de investigación en la computación cuántica analógica con redes ópticas y el atrapar los átomos fríos.

¿Cuáles son los principales desafíos para estos simuladores cuánticos?

Dada la evolución de la simulación analógica, no digital, el software no puede corregir los pequeños errores que se acumulan durante el cálculo, como hacíamos con la corrección de errores de ruido en una máquina universal. El dispositivo analógico debe mantener una superposición cuántica intacta durante el tiempo suficiente para que la simulación siga su curso, sin recurrir a la corrección de errores digital. Éste es el desafío concreto para un enfoque análogo de la simulación cuántica.

¿Es la máquina D-Wave un simulador cuántico?

El prototipo D-Wave no es un ordenador cuántico universal. No es digital, ni de corrección de errores ni tolerante a fallos. Es una máquina puramente analógica diseñada para resolver un problema de optimización particular. No está claro si puede ser calificada como un dispositivo cuántico.

¿Se conseguirá desplegar una computadora cuántica escalable durante su vida?

Estamos dejando atrás la pesadilla. En todo el mundo, muchos laboratorios universitarios están trabajando duro para eliminar o anular el bloqueo de la tolerancia a fallos. Los investigadores académicos están liderando el camino, intelectualmente. Por ejemplo, los grupos de Rob Schoelkopf y Michel H. Devoret, en Yale, están llevando a cabo tecnologías de superconductores cercanas a la tolerancia a fallos.

Pero la construcción de un ordenador cuántico digital y universal de trabajo, probablemente requerirá la movilización de recursos a escala industrial. Para ello, IBM está explorando la computación cuántica con circuitos superconductores con amplio personal de los grupos de Yale. Google está trabajando con el +laboratorio de John Martinis de la Universidad de California, Santa Bárbara. HRL Laboratories, a su vez, está trabajando en la computación cuántica basada en el silicio. Lockheed Martin está explorando las trampas de iones. Y quién sabe lo que la Agencia Nacional de Seguridad está haciendo.

Pero, generalmente, en los laboratorios académicos, sin estos recursos a escala industrial, los científicos se están centrando cada vez más en aprender a controlar simuladores cuánticos analógicos. Hay beneficios a corto plazo que pueden ser recogidos en esa arena, tanto intelectual como en el mundo académico: documentos publicables.

¿Estaría dispuesto a conformarse con lo analógico?

Estoy a favor de perseguir toda la fuerza del enfoque digital. Antes de morir, me encantaría ver un solo qubit lógico universal con error indefinidamente corregido. Esto sería de inmediato clasificado por el gobierno, por supuesto. Pero, aun así yo sueño con ello.

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- Imagen. 1. Ivan Deutsch . Cortesía de Ivan Deutsch.
- Imagen. 2. Un banco de pruebas de ordenador cuántico que Deutsch está trabajando con su colega Poul Jessen en la Universidad de Arizona. Cortesía de Poul Jessen

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