Los investigadores australianos creen que han resuelto un problema de décadas que podría conducir al desarrollo de computadoras cuánticas más grandes y útiles.
El Dr. Jarryd Pla y el profesor Andrew Dzurak han dado un salto hacia computadoras cuánticas más potentes.
Fotografía: Proporcionado / Universidad de Nueva Gales del Sur
La computación cuántica tiene el potencial de resolver ciertos problemas millones de veces más rápido que las computadoras convencionales.
Pero a pesar de los miles de millones de dólares de inversión, permaneció tentadoramente fuera de su alcance.
En una investigación publicada hoy en Avances en la ciencia, el equipo de investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur propuso una nueva forma de controlar millones de qubits, que son los componentes básicos de las computadoras cuánticas.
Las computadoras cuánticas más grandes de la actualidad tienen solo unas pocas docenas de qubits, pero se necesitarán millones de qubits para desarrollar nuevos medicamentos farmacéuticos o construir modelos climáticos más precisos.
Históricamente, existe el problema de cómo controlar millones de qubits a la vez sin hacer que el chip cuántico de tamaño miniatura esté demasiado lleno o demasiado caliente.
Conocido como el problema de lograr el «control global», fue identificado a fines de la década de 1990 y permaneció en la canasta de «no resueltos» durante dos décadas.
Pero un día a mediados de 2019, Jarryd Pla, un joven investigador, entró en la oficina del profesor Andrew Dzurak, uno de los principales investigadores de computación cuántica del país con una idea sobre cómo usar campos magnéticos para controlar qubits.
«Recuerdo cuando Jarryd entró en la oficina y me habló de la idea», dijo el profesor Dzurak.
“Yo estaba como, ‘Dios mío, si funciona, resolverá todos nuestros problemas’.
«Y tiene.»
Un problema muy estrecho y muy frío
Antes de llegar a la idea del Dr. Pla, debemos comprender por qué el calor es el gran enemigo de las computadoras cuánticas.
Los qubits son muy pequeños y extraños: las computadoras tradicionales almacenan información como ceros o unos, pero en una computadora cuántica, los qubits pueden ser ambos números al mismo tiempo.
Esta capacidad, conocida como superposición, significa que las computadoras cuánticas tienen la capacidad de realizar múltiples cálculos al mismo tiempo.
Pero hay un problema. Para conservar sus habilidades cuánticas, los qubits deben mantenerse muy fríos.
«Hace un frío increíble», dijo Andrew Doherty, físico cuántico de la Universidad de Sydney, que no participó en la investigación.
«Es como 20 grados la temperatura del espacio exterior», dijo el profesor Doherty.
Muchas de las tecnologías de computación cuántica operan alrededor de 0,1 Kelvin, o ligeramente por encima del cero absoluto, que es -273,15 grados Celsius.
Una computadora cuántica.
Fotografía: 123rf
Los chips cuánticos deben operar en enormes refrigeradores de dilución criogénica, en los que los isótopos de helio líquido se bombean a través de un sistema de tubos que se parece un poco a una lámpara de araña o un nido de pájaro al revés.
Y esa es la parte fácil.
Para ser útil para el cálculo, los qubits también deben controlarse.
Esto generalmente se hace poniendo una corriente a través de un cable cerca del qubit para crear un campo magnético que controle su giro.
La dirección de giro es equivalente a cero o uno en un código binario, explicó el profesor Dzurak.
«Puedes pensar en girar hacia abajo como cero y girar hacia arriba como uno», dijo.
Estos cables de control transfieren calor. A medida que se instalan más qubits, se necesitan más cables para controlarlos, y la tarea de mantener fríos los qubits se vuelve más difícil.
«No se pueden controlar millones de qubits, lo que tendrá que hacer para resolver estos grandes e importantes problemas», dijo el profesor Dzurak.
Luego está el problema de los bienes raíces: además de mantenerse fríos, los qubits deben empaquetarse para conservar sus propiedades cuánticas.
En algunos modelos, están separados por 100 nanómetros, que es una décima de micrón. Un cabello humano tiene aproximadamente 70 micrones de grosor.
Los cables de control ocupan un espacio valioso en un chip cuántico de tamaño miniatura que también debe contener millones de qubits.
Controlando cuatro millones de qubits a la vez
Para solucionar estos problemas, al Dr. Pla se le ocurrió la idea de deshacerse por completo de los cables y reemplazarlos con un campo magnético desde arriba del chip que puede manipular todos los qubits simultáneamente.
Inserte algo llamado «resonador dieléctrico».
Si bien puede parecer el corazón de una máquina del tiempo, en realidad es un equipo bastante estándar: como una antena para frecuencias de microondas, se usa en teléfonos celulares para enviar señales de alta frecuencia.
El desarrollado por los investigadores es un prisma de cristal de tantalato de potasio, que le permite trabajar a muy bajas temperaturas.
«Es básicamente un pequeño cristal transparente», dijo Pla.
El cristal se electrocuta con microondas, que se atascan y rebotan.
Al hacerlo, generan un campo magnético que emana de la parte inferior del cristal en un plano uniforme y plano.
Los investigadores encontraron que el campo generado por el resonador podría controlar un área que podría caber en cuatro millones de qubits; suficiente para el control global.
Además, descubrieron que se requiere relativamente poca energía para crear el campo magnético, lo que significa, fundamentalmente, no mucho calor.
«La elegancia del diseño de Jarryd es básicamente que él quitó todo el cableado de microondas del chip y ella lo colocó sobre él», dijo el profesor Dzurak.
Un chip de procesador cuántico
Fotografía: Wikimedia Commons
Prometedor, pero solo el ‘comienzo de la historia’
David Reilly, físico experimental y director del laboratorio de computación cuántica de la Universidad de Sydney, no participó en la investigación, pero dijo que los resultados eran «muy interesantes».
«Es un avance importante que resuelve un pequeño problema que preocupaba a muchos investigadores», dijo.
El profesor Doherty dijo que la solución era un «enfoque prometedor para un problema importante».
«Es una gran ciencia con excelentes resultados», dijo.
Aunque prometedor, el profesor Doherty dijo que los resultados eran preliminares y que aún quedaba un largo camino por recorrer antes de que se pudiera probar definitivamente el control global.
«Tienen aproximadamente un qubit bajo un campo magnético», dijo.
«Lo que no muestran es que no tienen un millón de qubits».
Otro desafío sería fabricar qubits en grandes cantidades.
«Para obtener un millón en un chip, los qubits no tienen que ser hechos a mano, deben fabricarse a gran escala», dijo Doherty.
«Esto va a ser un gran desafío».
¿Qué tan lejos estamos de ver una computadora cuántica?
Si bien la realidad de la computación cuántica aún está muy lejos, el profesor Doherty, quien recientemente regresó de un período de dos años en la compañía de computación cuántica PsiQuantum de Silicon Valley, confía en que lo lograremos.
«Hace veinticinco años, solía decir que pasarían 50 años antes de que tuviéramos una computadora cuántica. Ahora creo que tal vez no necesitemos esos 50 años», dijo.
Dijo que estaba emocionado por la cantidad de dinero que se gasta en la investigación de la computación cuántica.
En 2020, los inversores inyectaron 557,5 millones de dólares en 28 acuerdos de riesgo para empresas de computación cuántica con sede en Estados Unidos y Canadá; eso es más de tres veces la cantidad gastada en 2019.
En julio de este año, PsiQuantum, cofundada por dos australianos, recaudó alrededor de $ 450 millones en fondos para construir lo que afirma es la primera computadora cuántica comercialmente viable del mundo.
«La solución del equipo de la UNSW para el control global» es el comienzo de una historia, no el final de una «, dijo el profesor Doherty.
«Estoy muy interesado en ver adónde va la investigación».
-A B C
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