El mundo digital (su computadora portátil, el Internet al que está conectado y las empresas que hacen que todo funcione) se asienta sobre una base de bits. Estos bits son el lenguaje que hablan las computadoras digitales.
Los bits vienen en dos sabores: numéricamente, estos dos estados se representan como unos y ceros. En los chips de computadora, se vuelven físicos mediante interruptores en miniatura llamados transistores que están encendidos o apagados. El código de computadora combina bits físicos y numéricos en bloques de construcción lógicos básicos, como “sí” o “no” y “si” o “entonces”. Encadene miles de millones de bits y obtendrá hojas de cálculo, fotos de su familia, tweets, IA y compañías de billones de dólares.
Los bits son las partículas elementales de la era digital. Pero está surgiendo una nueva unidad de información fundamental, y en cierto modo más poderosa: el qubit.
Los qubits son el lenguaje de la computación cuántica y pueden tomar el valor de unos y ceros, como bits clásicos, o, gracias a las extrañas leyes de la mecánica cuántica, una combinación de los dos simultáneamente. Este estado, que se conoce como superposición, es donde ocurre la magia. Los qubits en superposición pueden explorar muchas más posibilidades que los bits clásicos, y cuando sus estados cuánticos se vinculan o entrelazan, pueden colaborar, en paralelo, para resolver cálculos inmensamente complejos en un abrir y cerrar de ojos. Las computadoras cuánticas del futuro no suplantarán a las computadoras clásicas, pero en algunos casos, podrán resolver problemas que las computadoras clásicas no pueden.
El estado actual de las cosas, sin embargo, es un poco más complicado. Si bien las computadoras cuánticas han pasado oficialmente de la teoría a los hechos, un logro notable, ninguna es práctica todavía.
Para realizar una computadora cuántica útil, Google, IBM, Microsoft, Amazon y otros están invirtiendo recursos en máquinas que se ejecutan en una colección de qubits. El enfoque más popular, favorecido por Google e IBM, implica pequeños bucles de cable superconductor. Honeywell e IonQ buscan qubits atómicos hechos de iones atrapados. Investigadores en China están construyendo intrincadas máquinas tipo Rube-Goldberg en mesas de laboratorio para ejecutar cálculos cuánticos con espejos y luz .
La carrera cuántica está todo menos resuelta y, como se describe en un artículo publicado esta semana en Nature , hay un nuevo caballo en la pista. En lugar de bucles superconductores, iones o fotones, un equipo de científicos dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía, hizo qubits a partir de electrones individuales.
“Nuestro ambicioso objetivo no es competir con esas empresas, sino descubrir y construir un sistema qubit fundamentalmente nuevo que pueda conducir a una plataforma ideal”, dijo en un comunicado de prensa Dafei Jin, científico de Argonne e investigador principal del proyecto. .
¿El avance clave? Hielo de neón.
El equipo enfrió el gas neón hasta casi el cero absoluto, momento en el que se solidificó. Luego rociaron la superficie del neón sólido con electrones del filamento de una bombilla. Los electrones quedaron atrapados en la superficie porque el neón es un elemento inerte (o no reactivo) que atrae a los electrones con una ligera carga positiva pero que tampoco les ofrece ningún lugar donde asentarse. Una vez atrapados, los electrones se pueden mover con electrodos y se pueden medir sus estados con un resonador de microondas, otro avance clave descrito en el artículo.
“ El resonador de microondas proporciona de manera crucial una forma de leer el estado del qubit”, dijo Kater Murch, profesora de física en la Universidad de Washington en St. Louis y coautora principal del artículo. “Concentra la interacción entre el qubit y la señal de microondas. Esto nos permite hacer mediciones que indican qué tan bien funciona el qubit”.
No es la primera vez que los científicos intentan convertir electrones en qubits. Pero los intentos anteriores de atrapar las partículas en la superficie del helio en la década de 1990 resultaron demasiado difíciles. El helio es líquido incluso a bajas temperaturas, y el chapoteo del líquido perturbó los electrones. El hielo de neón, por otro lado, constituye un hogar muy estable para un qubit de electrones.
El equipo dice que un qubit ideal debe permanecer en superposición, o cohesionarse, durante más de un segundo, cambiar de estado en una milmillonésima de segundo y entrelazarse con otros qubits a escala. Al medir las propiedades de sus qubits de electrones, encontraron que los qubits mantienen la superposición durante 220 nanosegundos y cambian de estado en meros nanosegundos. El rendimiento está a la par con los qubits de última generación existentes en desarrollo durante años.
Creen que la simplicidad del sistema se presta a una fabricación de bajo costo, pero la escala es incierta. “No puedo decir que tengo una respuesta clara”, dijo Jin a IEEE Spectrum . “Sigue siendo un problema compartido por todas las plataformas qubit. Es posible que tengamos algunas formas de hacerlo mejor que los qubits superconductores, y casi tan buenos como los iones atrapados. Pero no es fácil lograr cientos de qubits a corto plazo”.
Aún así, los científicos dicen que apenas han comenzado a perfeccionar la plataforma. Planean mejorar aún más la coherencia convirtiendo los electrones de qubits de carga, que se basan en el movimiento de un electrón, en un qubit de espín más estable y también para enredar múltiples qubits.
Sin embargo, en el panorama general, el trabajo se encuentra en una etapa muy temprana de desarrollo. En comparación, IBM presentó un chip cuántico el año pasado con 127 qubits superconductores y espera completar un chip con 433 qubits este año y otro con 1121 qubits en 2023. Mientras tanto, las computadoras cuánticas de iones atrapados tienen menos qubits, pero ya están logrando mayor fidelidad .
Aun así, es posible que los recién llegados superen a la competencia. Los qubits superconductores son quisquillosos y necesitarán chips de mil o un millón de qubits para la corrección de errores. Es por eso que Microsoft está apostando por un enfoque arriesgado, aún hipotético pero, en teoría, más escalable llamado qubit topológico. La búsqueda los lleva años detrás de la competencia, pero creen que, si tienen éxito, los qubits topológicos podrían adelantarlos a la manada.
La verdad es que, a pesar de algunas afirmaciones de practicidad inminente, no está claro exactamente dónde nos encontramos en la línea de tiempo de las computadoras cuánticas realmente útiles.
“La pregunta inmediata es dónde debe colocarse el desarrollo de la computación cuántica, tal como está hoy, en esa línea de tiempo”, escribió recientemente Sankar Das Sarma, director del Centro de Teoría de la Materia Condensada de la Universidad de Maryland, para MIT Technology Review. “¿Es con los hermanos Wright en 1903? ¿Los primeros aviones a reacción alrededor de 1940? ¿O tal vez todavía estamos en el siglo XVI, con la máquina voladora de Leonardo da Vinci? Yo no sé. Tampoco lo hace cualquier otra persona.”
Entonces, aunque todas las empresas y grupos de investigación creen apasionadamente que su enfoque será el adecuado para escalar, es posible que el qubit asesino, tal vez un electrón en hielo de neón, recién esté emergiendo o aún no se haya inventado.
Fuente:
Dorrier, J. (2022g, mayo 8). The Ideal Qubit? Future Quantum Computers Could Crunch Data With Single Electrons on Neon Ice. Singularity Hub. Recuperado 11 de mayo de 2022, de https://singularityhub.com/2022/05/08/the-ideal-qubit-future-quantum-computers-could-crunch-data-with-single-electrons-on-neon-ice/