Dos simuladores cuánticos logran controlar más de 50 cúbits, alcanzando nuevo récord

Representación artística de la simulación cuántica. 
E. Edwards

Un ordenador cuántico capaz de superar la performance de las computadoras clásicas para resolver una gran cantidad de problemas sigue siendo el mayor objetivo de ingenieros, investigadores y programadores en todo el mundo. En esa carrera, dos grupos de científicos han dado sólidos pasos al lograr algunos de los más grandes y potentes simuladores cuánticos nunca antes construidos. 

Estos dispositivos especializados son mucho menos versátiles que la visión de computadoras cuánticas, pero comparten similitudes arquitectónicas para allanar el camino para llegar a últimas. Los simuladores cuánticos están diseñados para abordar problemas muy específicos en campos científicos como física de alta energía y química. Estos dispositivos consisten principalmente en pequeñas matrices de 5 o 10 bits cuánticos (cúbits) que pueden representar múltiples estados de información simultáneamente. En un trabajo reciente, uno de los grupos investigadores usó láser y pinzas ópticas para ensamblar una cadena de 51 cúbits de los llamados átomos de Rydberg. Un segundo equipo ostentó un dispositivo de 53 cúbits usando campos eléctricos para controlar una cadena de átomos cargados (iones atrapados). 

Grandes números de cúbits controlados

Ambos estudios son pasos concretos hacia el control bastante específico de ciertas partículas y llevando esto a un campo en el que se podría avanzar hacia tamaños de sistemas que mostrarían aceleraciones cuánticas avasallando en velocidad a los dispositivos clásicos en lo que se refiere a resolver problemas importantes, indicó Ahmed Omran, investigador de física cuántica de la Universidad de Harvard y coautor del paper sobre los átomos de Rydberg. 

Esta foto muestra una trampa de iones, que los investigadores usaron para crear una línea de un solo archivo de átomos cargados (iones) de iterbio.
Nature

El equipo de Harvard, el MIT y el Instituto Tecnológico de California (EEUU) detalló el enfoque sus átomos de Rydberg de 51-cúbit en Nature, en su edición publicada ayer. La misma edición incluyó el ya citado segundo trabajo (iones atrapados), y la autoría es de un equipo de la Universidad de Maryland y el Instituto Nacional de California de Estándares y Tecnología.

Átomos de Rydberg

Para construir este dispositivo de 51, el equipo de Omran usó 101 lasers y pinzas ópticas para iluminar a un “vapor diluido en átomos de rubidio”. Cada rayo láser tenía 60% de chance de atrapar un átomo, lo que significada que la cadena inicial de átomos se veía muy aleatoria. Uno de los grandes logros del grupo fue encontrar una forma de reorganizar las pinzas ópticas sobre la marcha, lo que su vez les permitiría “crear cadenas perfectas de átomos del tamaño y patrón deseado con hasta 51 partículas”. 

En un nuevo simulador cuántico, los físicos usaron láseres para medir cúbits atómicos dispuestos en cuerdas. Cuando se golpeó con un láser, los qubits aparecieron oscuros o brillantes, lo que ayudó a los investigadores a estudiar el estado magnético del sistema.
Nature

La siguiente etapa consistió en convertir átomos en cúbits. Lo consiguieron concentrando láseres adicionales en electrones individuales orbitando ajustadamente los núcleos atómicos. Esto otorgó la energía necesaria para empujar al electrón a una órbita más lejana (estado de Rydberg) sin desprender completamente el electrón del átomo. Estas interacciones entre átomos de Rydberg permitieron luego a los investigadores manipularlos como cúbits. 

La distancia entre los átomos determina la fuerza de la interacción, y mientras podamos controlar la posición de cada átomo individualmente, podremos también programar varios patrones de interacción y estudiar la evolución de este sistema cuántico de muchos cuerpos. 

Ion atrapado

El simulador “ion atrapado” de la segunda investigación tomó un enfoque distinto para llegar a los 53 cúbit. En este caso, los investigadores crearon una línea de archivo único de átomos cargados (iones) de iterbio. Estos iones, normalmente, se repelen unos a otros por tener la misma carga. Pero el grupo de investigación usó los campos magnéticos para darle la contra a la tendencia de repulsión. Los investigadores crearon una “caja de herramientas y comprensión” para controlar cadenas de cúbits con el enfoque del “ion atrapado”, de acuerdo a Christopher Monroe (coautor del trabajo). Añadieron que el método también permite a investigadores ajustar ampliamente el rango de sus interacciones. 

Sin embargo, el desafío principal de los iones atrapados requiere de contrarrestar la fortísima repulsión de interacciones entre iones individuales, algo que podría complicar los esfuerzos para llegar a simuladores más grandes. 

Comparando, el enfoque de Rydberg presenta algunos vacíos en términos de cómo los estados de Rydberg se comportan y son controlados. Pero su ventaja viene de usar átomos neutrales que pueden venir empacados juntos en gran número antes de pasar a las interacciones del estado de Rydberg. Esto, para los científicos, promete ciertas rutas que permitirían controlar en el futuro cientos de átomos. En ambos proyectos, el equipo ha dado importantes pasos hacia la construcción de grandes cadenas de cúbits y empezó a investigar su utilidad científica. Aun falta, sin embargo, mucho para decir que se puede controlar con maestría las interacciones cuánticas entre cadenas de 50-cúbits. 

El siguiente paso: entrelazamiento cuántico

El entrelazamiento cuántico (aquel fenómeno que permite a dos partículas entrelazadas permanecer unidas pese a la separación física) es el próximo objetivo de estudio del equipo de Omran. El entrelazamiento es considerado crucial para el futuro de la computación cuántica para realizar muchos cálculos simultáneamente. 

Apuntan, además, a mejorar el control sobre átomos individuales como cúbits. “Controlar mejor nuestros sistemas (átomos de Rydberg o iones atrapados), nos permitirá realizar simulaciones más sofisticadas.

Gigantes como Google e IBM siguen sus propios enfoques para desarrollar sistemas de computación cuántica, construyendo cúbits superconductores en circuitos integrados. Google, con un sistema de 49 cúbits e IBM creyendo que se requerirán 57 cúbits o más, apuntan a lograr la supremacía cuántica. Aun así, esto sería un paso temprano en el camino a la computación cuántica universal. Es generalmente aceptado que se necesitarán grupos muy grandes de cúbits (de miles o millones) para hacer a la computación cuántica una herramienta práctica.

En este artículo te contamos todo lo que se sabe hasta la fecha y algunos conceptos para ayudarte a comprender los ordenadores cuánticos.

 

Daniel Meza
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