Física cuántica en regiones hasta ahora inaccesibles

Hola, estimado lector. Espero que te encuentres bien.

En esta oportunidad he querido acercarte un artículo sobre el estado actual de la computación cuántica, así como sus dificultades y oportunidades que presenta a corto y mediano plazo.

Es sabido que USA es el país que destina la mayor cantidad de recursos para su investigación y desarrollo, pero como aquí se verá, también hay otros que mediante consorcios, también participan en este importante ámbito científico.

Como siempre, te espero al final del artículo.

Jian-Wei Pan: "El próximo avance cuántico se producirá en cinco años

Raúl Limón

El País - Feb, 2022

Cualquier salto en la computación cuántica multiplica el potencial de una tecnología capaz de realizar cálculos y simulaciones que están fuera del alcance de los ordenadores actuales, a la vez que facilita el estudio de fenómenos hasta ahora sólo teóricos.

El año pasado, un grupo de investigadores planteó en la revista Nature la idea de que una alternativa a la teoría cuántica basada en números reales puede ser falsificada experimentalmente. La propuesta original era un reto que ha sido asumido por el científico líder en este campo, Jian-Wei Pan, con la participación del físico Adán Cabello, de la Universidad de Sevilla.

Su investigación combinada ha demostrado "el papel indispensable de los números complejos (raíz cuadrada de menos uno, por ejemplo) en la mecánica cuántica estándar". Los resultados permiten avanzar en el desarrollo de ordenadores que utilicen esta tecnología y, según Cabello, "probar la física cuántica en regiones hasta ahora inaccesibles".

Jian-Wei Pan, de 51 años, licenciado en 1987 por la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) y doctorado por la Universidad de Viena, dirige uno de los mayores y más exitosos equipos de investigación cuántica del mundo, y ha sido descrito por el premio Nobel de Física Frank Wilczek como "una fuerza de la naturaleza".

El director de la tesis de Jian-Wei Pan en la Universidad de Viena, el físico Anton Zeilinger, añadió: "No puedo imaginar la aparición de la tecnología cuántica sin la presencia de Jian-Wei Pan".

El liderazgo de Pan en la investigación ha sido fundamental. "El experimento puede verse como un juego entre dos jugadores: la mecánica cuántica de valores reales contra la mecánica cuántica de valores complejos", explica.

"El juego se desarrolla en una plataforma de ordenador cuántico con cuatro circuitos superconductores. Enviando bases de medición aleatorias y midiendo el resultado, se obtiene la puntuación del juego, que es una combinación matemática de las bases de medición y el resultado. La regla del juego es que la mecánica cuántica de valor real queda descartada si la puntuación del juego supera los 7,66 puntos, que es el caso de nuestro trabajo."

Recogido por la revista científica Physical Review Letters, el experimento fue desarrollado por un equipo de la USTC y la Universidad de Sevilla para responder a una pregunta fundamental: ¿Son realmente necesarios los números complejos para la descripción mecánica cuántica de la naturaleza?

Los resultados excluyeron una alternativa a la física cuántica estándar que sólo utiliza números reales.

Según Jian-Wei Pan "Los físicos utilizan las matemáticas para describir la naturaleza. En la física clásica, un número real parece completo para describir la realidad física en todos los fenómenos clásicos, mientras que un número complejo sólo se emplea a veces como una herramienta matemática conveniente. Sin embargo, si el número complejo es necesario para representar la teoría de la mecánica cuántica sigue siendo una cuestión abierta. Nuestros resultados refutan la descripción de la naturaleza con números reales y establecen el papel indispensable de un número complejo en la mecánica cuántica."

"No sólo tiene interés en cuanto a la exclusión de una alternativa concreta", añade Cabello, "la importancia del experimento es que muestra cómo un sistema de qubits superconductores (los que se utilizan en los ordenadores cuánticos) permite poner a prueba predicciones de la física cuántica que son imposibles de comprobar con los experimentos que hemos realizado hasta ahora. Esto abre un abanico de posibilidades muy interesante, porque hay decenas de predicciones fascinantes que nunca hemos podido probar, ya que requieren un control firme sobre varios qubits. Ahora podremos probarlas".

Según Chao-Yang Lu, del USTC y coautor del experimento: "La aplicación más prometedora a corto plazo de los ordenadores cuánticos es la comprobación de la propia mecánica cuántica y el estudio de los sistemas de muchos cuerpos".

Así, el descubrimiento proporciona no sólo un camino hacia el desarrollo de los ordenadores cuánticos, sino también una nueva forma de acercarse a la naturaleza para comprender el comportamiento y las interacciones de las partículas a nivel atómico y subatómico.

Pero, como cualquier avance, la apertura de un nuevo camino genera incertidumbres.

Sin embargo, Jian-Wei Pan prefiere centrarse en lo positivo: "Construir un ordenador cuántico tolerante a fallos que sea útil en la práctica es uno de los grandes retos del ser humano", afirma. "Me preocupa más cómo y cuándo lo construiremos".

El reto más formidable para construir un ordenador cuántico universal a gran escala es la presencia de ruido e imperfecciones. Tenemos que utilizar la corrección de errores cuánticos y las operaciones tolerantes a los fallos para superar el ruido y ampliar el sistema".

Un qubit lógico con mayor fidelidad que un qubit físico será el próximo avance de la informática cuántica y se producirá en unos cinco años. En los hogares, los ordenadores cuánticos, de hacerse realidad, estarían disponibles primero a través de los servicios en la nube.

• Aplicaciones

Según Cabello, "cuando los ordenadores cuánticos sean lo suficientemente grandes y tengan miles o millones de qubits, permitirán entender complejas reacciones químicas que ayudarán a diseñar nuevos fármacos y mejores baterías; realizar simulaciones que lleven al desarrollo de nuevos materiales y cálculos que permitan optimizar algoritmos de inteligencia artificial y aprendizaje automático utilizados en logística, ciberseguridad y finanzas, o descifrar los códigos en los que se basa la seguridad de las comunicaciones actuales."

"Los ordenadores cuánticos", añade, "utilizan las propiedades de la física cuántica para realizar los cálculos. A diferencia de los ordenadores que utilizamos, en los que la unidad básica de información es el bit (que puede tomar dos valores), en un ordenador cuántico, la unidad básica es el bit cuántico, o qubit, que tiene un número infinito de estados".

Cabello continúa diciendo que "los ordenadores cuánticos construidos por empresas como Google, IBM o Rigetti aprovechan el hecho de que objetos del tamaño de un micrón y producidos con técnicas estándar de fabricación de semiconductores pueden comportarse como qubits".

El objetivo de tener ordenadores con millones de qubits está todavía muy lejos, ya que la mayoría de los ordenadores cuánticos actuales, según Cabello, "sólo tienen unos pocos qubits y no todos son lo suficientemente buenos".

Sin embargo, los resultados de la investigación del equipo chino y español permiten ampliar los usos de los ordenadores actuales y comprender fenómenos físicos que han desconcertado a los científicos durante años.

• El cristal del tiempo

Por ejemplo, Google Quantum AI ha publicado por primera vez en la revista Nature la observación de un cristal de tiempo a través del procesador cuántico Sycamore.

Un cristal de tiempo cuántico es similar a un grano de sal compuesto por átomos de sodio y cloro. Sin embargo, mientras que las capas de átomos de ese grano de sal forman una estructura física basada en patrones de repetición en el espacio, en el cristal de tiempo la estructura se configura a partir de un patrón oscilante. El procesador de Google ha podido observar estos patrones de ondas oscilantes de los cristales de tiempo estables.

Este hallazgo, según Pedram Roushan y Kostyantyn Kechedzhi, muestra "cómo los procesadores cuánticos pueden utilizarse para estudiar nuevos fenómenos físicos".

Pasar de la teoría a la observación real es un salto crítico y es la base de cualquier descubrimiento científico. Investigaciones como ésta abren la puerta a muchos más experimentos, no sólo en física, sino que esperamos que inspiren futuras aplicaciones cuánticas en muchos otros campos".

En España, un consorcio de siete empresas (Amatech, BBVA, DAS Photonics, GMV, Multiverse computing, Qilimanjaro Quantum Tech y Repsol) y cinco centros de investigación (Barcelona Supercomputing Center, Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Donostia International Physics Center, Instituto de Ciencias Fotónicas Tecnalia y la Universidad Politécnica de Valencia) han puesto en marcha un nuevo proyecto denominado CUCO para aplicar la computación cuántica a las industrias estratégicas españolas: energía, finanzas, espacio, defensa y logística.

Subvencionado por el Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI) y con el apoyo del Ministerio de Ciencia e Innovación, el proyecto CUCO es la primera gran iniciativa de computación cuántica en España en el ámbito empresarial y pretende "avanzar en el conocimiento científico y tecnológico de los algoritmos de computación cuántica a través de la colaboración público-privada entre empresas, centros de investigación y universidades". El objetivo es que esta tecnología se implante en un futuro a medio plazo.

Acá me encuentras. Te esperé para compartir contigo mis reflexiones.

Mi posición con respecto a la computación cuántica es la de un profundo respeto y decisión de involucrarme lo más rápidamente posible en sus detalles, ya que implicará un nuevo mundo para la sociedad.

Dada mi edad, 75 años, es probable que no llegue a vivirlo con toda su amplitud, pero, de todos modos, mi curiosidad profesional me arrastra hacia este increíble terreno.

Confieso que será la primera vez en mi vida que apreciaré la importancia de operar con números imaginarios (basados en la raíz cuadrada de -1). Hasta ahora la he transitado manejando números reales y ya con eso tuve bastante, pero bueno, se dice que siempre hay una primera vez para todo. Veremos.

Lo que más me atrapa es saber que con un byte normal se puede representar un solo elemente alfanumérico en un momento dado, mientras que uno cuántico puede hacerlo con 256 elementos en el mismo momento (2 a la 8), y que ese fenómeno se agranda exponencialmente a medida que la cantidad de qubytes que tenga la computadora vaya aumentando.

Este solo hecho me hace presentir que todo lo que la computación convencional actual pueda brindarnos, quedará totalmente obsoleto en pocas décadas.

Mi consejo para la gente joven es que comiencen a prepararse cuanto antes en este nuevo saber, ya que muy probablemente sus puestos de trabajo actuales podrán ser reemplazados por otros nuevos derivados de esta nueva tecnología.

Me gustaría conocer tu honesta opinión con respecto a este artículo.

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