Cuando se realicen por completo, las computadoras cuánticas impulsarán a la humanidad a través de problemas que parecen imposibles de resolver hoy. Pero incluso los problemas imposibles tienen una forma de demostrar que son posibles, dado el tiempo suficiente: al igual que los humanos que podían volar parecían imposibles antes de que los hermanos Wright reescribieran el futuro.
Una de las principales limitaciones de los qubits actuales es que pueden decoherirse muy rápidamente, pasando de un estado en el que proporcionan trabajo práctico a otro en el que los cálculos no proporcionan resultados precisos. Así que es otro tipo de carrera contra el tiempo, una en la que los investigadores del Instituto Japonés de Ciencias Moleculares ahora han saltado al primer lugar. (se abre en una pestaña nueva) rompiendo el récord anterior de la operación de puerta de dos qubits más rápida jamás realizada en computación cuántica. (se abre en una pestaña nueva)
Los qubits, como su nombre lo indica, son el equivalente cuántico del bit binario que impulsó nuestra revolución tecnológica. El poder particular de los qubits es que no necesitan fijarse en un valor de uno o cero. En su lugar, tienen la capacidad añadida de poder representar tanto a uno como a otro. y cero. Permite que los qubits proporcionen mucho más trabajo por unidad de tiempo que el bit básico. Ya ha permitido que los cálculos del mundo real (como el Sensor Placement Challenge de BMW) hagan en seis minutos lo que a nuestras computadoras más potentes les tomaría exponencialmente más tiempo.
Una operación de compuerta de dos qubits es la disposición de qubits más fundamental (y la primera en la escala de ventajas), y requiere que los dos qubits se enreden, lo que simplifica enormemente las cosas; esto significa esencialmente que su estado es compartido (o coherente). Sin embargo, como hemos visto, los sistemas cuánticos actuales son propensos al ruido (como la radiación ambiental, entre otros). El ruido puede hacer que su enredo se descoherente, lo que dificultará cualquier operación que estén ejecutando (¿recuerdas cuando hiciste demasiado overclocking en tu PC y Prime95 devolvió un error? Esa es una forma de decirlo.
Hay dos formas de lidiar con este problema: realizamos las operaciones más rápido, antes de que la decoherencia tenga tiempo de establecerse, generalmente a escala de microsegundos, o aumentamos la longevidad del entrelazamiento del qubit. Los investigadores japoneses optaron por el primer enfoque.
Usando láseres, los investigadores enfriaron dos átomos-qubits hechos del elemento rubidio (siendo las partículas más pequeñas absolutas de una unidad fundamental, los átomos se inclinan naturalmente a las tareas cuánticas) a temperaturas cercanas al cero absoluto (−273,15 °C).
No es la única técnica de cero absoluto para manejar qubits; la física tiene que ver con la rapidez con la que las moléculas interactúan entre sí. A temperaturas más altas, interactúan más rápido y son más excitables. Enfriarlos al vacío equivalente del espacio, por otro lado, es similar a ponerlos en hibernación, ralentizando sus interacciones entre sí y con el entorno mismo, aumentando así los tiempos de coherencia. Por supuesto, como un oso, todavía saltarán de ese estado con un empujón lo suficientemente fuerte, pero tal vez puedan manejar un pinchazo o dos.
Luego, los investigadores aseguraron estos átomos dentro de un micrómetro entre sí usando pinzas ópticas, y un láser final manipuló los qubits a intervalos de diez picosegundos (una billonésima de segundo). Usando esta técnica, los investigadores ejecutaron con éxito una operación de puerta cuántica, que concluyó en 6,5 nanosegundos, menos de la mitad de la operación de puerta de dos qubits más rápida anterior, que tomó 15 nanosegundos.
Mil nanosegundos caben en un solo microsegundo, por lo que hubo mucho tiempo entre que los qubits se enredaron y el sistema se decoherió para realizar los cálculos.
Si bien el trabajo de los investigadores aún no resuelve los problemas de la computación cuántica, es un paso en la dirección correcta. Como mínimo, muestra que todavía hay velocidades operativas más rápidas para desbloquear en el ámbito cuántico, lo que en última instancia debería escalar el rendimiento disponible de esta nueva solución informática emergente.
Hay ciertas advertencias prácticas para el sistema creado por los investigadores. Por un lado, solo lograron enredar y operar en dos qubits enredados. IBM, por ejemplo, planea introducir su 433-qubit Águila pescadora Unidad de procesamiento cuántico (QPU) este año.
Otra cosa a tener en cuenta es que los qubits de átomos de rubidio empleados por los investigadores, y la técnica que permitió romper el récord mundial, requieren enfriar el sistema hacia el cero absoluto. Ese es un esfuerzo costoso y difícil de replicar en la informática de alto rendimiento (HPC) y otros entornos en todo el mundo.
Hay muchos corredores y, sin duda, ciertas tecnologías se desarrollarán más lentamente que otras, dejándolas comer el polvo proverbial de la inversión de capital y tiempo. Pero hasta que haya una tecnología qubit que sea el líder indiscutible, al igual que el silicio para los semiconductores en el momento de su introducción, la pregunta permanecerá abierta.