Al igual que las desconcertantes matemáticas que sustentan la computación cuántica, algunas de las expectativas que se generan en torno a esta tecnología aún poco práctica pueden marearlo. Si entrecierra los ojos por la ventana de un vuelo a SFO en este momento, puede ver una neblina de exageración cuántica a la deriva sobre Silicon Valley. Pero el enorme potencial de la computación cuántica es innegable y el hardware necesario para aprovecharlo avanza rápidamente. Si alguna vez hubo un momento perfecto para poner tu cerebro en torno a la computación cuántica, es ahora. Di «Superposición de Schrödinger» tres veces rápido y podemos sumergirnos.
La historia de la computación cuántica explicada
La prehistoria de la computación cuántica comienza a principios del siglo XX, cuando los físicos comenzaron a sentir que habían perdido el control de la realidad.
Primero, las explicaciones aceptadas del mundo subatómico resultaron ser incompletas. Los electrones y otras partículas no se limitaban a hacer carambolas como las bolas de billar newtonianas, por ejemplo. A veces actuaban como una ola en su lugar. La mecánica cuántica surgió para explicar tales peculiaridades, pero introdujo sus propias preguntas inquietantes. Para tomar solo un ejemplo que frunció el ceño, esta nueva matemática implicaba que las propiedades físicas del mundo subatómico, como la posición de un electrón, existían como probabilidades antes de que fueran observados. Antes de medir la ubicación de un electrón, no es ni aquí ni allá, sino alguna probabilidad de que esté en todas partes. Puedes pensar en ello como una moneda de veinticinco centavos dando vueltas en el aire. Antes de que caiga, la moneda no es ni cara ni cruz, sino alguna probabilidad de ambas.
Si encuentras eso desconcertante, estás en buena compañía. Un año antes de ganar el Premio Nobel por sus contribuciones a la teoría cuántica, Richard Feynman de Caltech comentó que “nadie entiende la mecánica cuántica”. La forma en que experimentamos el mundo simplemente no es compatible. Pero algunas personas lo entendieron lo suficientemente bien como para redefinir nuestra comprensión del universo. Y en la década de 1980, algunos de ellos, incluido Feynman, comenzaron a preguntarse si los fenómenos cuánticos como la existencia probabilística de partículas subatómicas podrían usarse para procesar información. La teoría básica o modelo para las computadoras cuánticas que tomó forma en los años 80 y 90 todavía guía a Google y otras compañías que trabajan en la tecnología.
Antes de hundirnos en las turbias aguas poco profundas de la computación cuántica 0.101, deberíamos refrescar nuestra comprensión de las viejas computadoras normales. Como sabe, los relojes inteligentes, los iPhone y la supercomputadora más rápida del mundo básicamente hacen lo mismo: realizan cálculos codificando información como bits digitales, también conocidos como 0 y 1. Una computadora puede encender y apagar el voltaje en un circuito para representar 1 y 0, por ejemplo.
Las computadoras cuánticas también hacen cálculos usando bits. Después de todo, queremos que se conecten a nuestros datos y computadoras existentes. Pero los bits cuánticos, o qubits, tienen propiedades únicas y poderosas que permiten que un grupo de ellos haga mucho más que un número equivalente de bits convencionales.
Los qubits se pueden construir de varias maneras, pero todos representan 0s y 1s digitales utilizando las propiedades cuánticas de algo que se puede controlar electrónicamente. Los ejemplos populares, al menos entre una parte muy selecta de la humanidad, incluyen circuitos superconductores o átomos individuales que levitan dentro de campos electromagnéticos. El poder mágico de la computación cuántica es que este arreglo permite que los qubits hagan más que solo cambiar entre 0 y 1. Trátelos bien y pueden cambiar a un modo extra misterioso llamado superposición.
Los cables en bucle conectan el chip en la parte inferior de la estructura a su sistema de control.amy lombardo
Es posible que haya escuchado que un qubit en superposición es ambos 0 y 1 al mismo tiempo. Eso no es del todo cierto y tampoco del todo falso. El qubit en superposición tiene algunos probabilidad de ser 1 o 0, pero no representa ningún estado, al igual que nuestra moneda de veinticinco centavos en el aire no es ni cara ni cruz, sino alguna probabilidad de ambas. En el mundo simplificado y, nos atrevemos a decir, perfecto de este explicador, lo importante que debe saber es que las matemáticas de una superposición describen la probabilidad de descubrir un 0 o un 1 cuando se lee un qubit. La operación de leer el valor de un qubit lo elimina de una combinación de probabilidades en un solo estado claro, similar a la moneda que cae sobre la mesa con un lado definitivamente hacia arriba. Una computadora cuántica puede usar una colección de qubits en superposiciones para jugar con diferentes caminos posibles a través de un cálculo. Si se hace correctamente, los punteros a rutas incorrectas se cancelan, dejando la respuesta correcta cuando los qubits se leen como 0 y 1.
Para algunos problemas que requieren mucho tiempo para las computadoras convencionales, esto permite que una computadora cuántica encuentre una solución en muchos menos pasos de los que necesitaría una computadora convencional. El algoritmo de Grover, un famoso algoritmo de búsqueda cuántica, podría encontrarlo en una guía telefónica de 100 millones de nombres con solo 10,000 operaciones. Si un algoritmo de búsqueda clásico simplemente pasara por todos los listados para encontrarlo, requeriría 50 millones de operaciones, en promedio. Para Grover y algunos otros algoritmos cuánticos, cuanto mayor es el problema inicial, o la guía telefónica, más atrás queda una computadora convencional en el polvo digital.
La razón por la que no tenemos computadoras cuánticas útiles hoy en día es que los qubits son extremadamente quisquillosos. Los efectos cuánticos que deben controlar son muy delicados, y el calor o el ruido perdidos pueden cambiar 0 y 1 o eliminar una superposición crucial. Los qubits deben estar cuidadosamente protegidos y operar a temperaturas muy frías, a veces solo fracciones de grado por encima del cero absoluto. Un área importante de investigación implica el desarrollo de algoritmos para que una computadora cuántica corrija sus propios errores, causados por fallas en los cúbits. Hasta ahora, ha sido difícil implementar estos algoritmos porque requieren tanta potencia del procesador cuántico que queda poco o nada para resolver problemas. Algunos investigadores, sobre todo en Microsoft, esperan sortear este desafío desarrollando un tipo de qubit a partir de grupos de electrones conocido como qubit topológico. Los físicos predicen que los qubits topológicos serán más resistentes al ruido ambiental y, por lo tanto, menos propensos a errores, pero hasta ahora han tenido problemas para crear uno solo. Después de anunciar un avance en el hardware en 2018, los investigadores de Microsoft se retractaron de su trabajo en 2021 después de que otros científicos descubrieran errores experimentales.
Aún así, las empresas han demostrado una capacidad prometedora con sus máquinas limitadas. En 2019, Google usó una computadora cuántica de 53 qubits para generar números que siguen un patrón matemático específico más rápido que una supercomputadora. La demostración inició una serie de los llamados experimentos de «ventaja cuántica», en los que un grupo académico en China anunció su propia demostración en 2020 y la startup canadiense Xanadu anunció la suya en 2022. (Aunque se conocen desde hace mucho tiempo como experimentos de «supremacía cuántica», muchos Los investigadores han optado por cambiar el nombre para evitar que se haga eco de la «supremacía blanca». adelante.
Mientras tanto, los investigadores han simulado con éxito pequeñas moléculas utilizando unos pocos qubits. Estas simulaciones aún no hacen nada más allá del alcance de las computadoras clásicas, pero podrían hacerlo si se ampliaran, lo que podría ayudar al descubrimiento de nuevos productos químicos y materiales. Si bien ninguna de estas demostraciones ofrece un valor comercial directo todavía, han reforzado la confianza y la inversión en computación cuántica. Después de haber tentado a los científicos informáticos durante 30 años, la computación cuántica práctica puede no estar exactamente cerca, pero ha comenzado a sentirse mucho más cerca.