La computación cuántica sigue avanzando
Hola, estimado lector.
Decidí presentarte este artículo a modo de introducción a los principios básicos sobre los que se fundarán los desarrollos de las nuevas computadoras cuánticas.
Estas tecnologías irán irrumpiendo en los mercados, cada vez con mayor fuerza, hasta que las computadoras actuales sean virtualmente reemplazadas por ellas, dado que su capacidad y velocidad de procesamiento son infinitamente superiores a las que conocemos en la actualidad.
Como siempre, te espero al final de la lectura para compartirte mis reflexiones.
Varios físicos han descubierto qubits para ordenadores cuánticos, que utilizan átomos que vibran
Jennifer Chu
Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Febrero, 2022
"Los físicos del MIT han descubierto un nuevo bit cuántico, o "qubit", en forma de pares de átomos vibrantes conocidos como fermiones.
Descubrieron que cuando los pares de fermiones se enfrían y quedan atrapados en una red óptica, las partículas pueden existir simultáneamente en dos estados, un extraño fenómeno cuántico conocido como superposición.
En este caso, los átomos mantenían una superposición de dos estados vibracionales, en los que el par se tambaleaba uno contra el otro a la vez que se balanceaba en sincronía, al mismo tiempo.
El equipo fue capaz de mantener este estado de superposición entre cientos de pares de fermiones vibrantes. De este modo, consiguieron un nuevo "registro cuántico", o sistema de qubits, que parece ser robusto durante periodos de tiempo relativamente largos.
El descubrimiento, publicado el 26 de enero de 2022 en la revista Nature, demuestra que estos elementos tambaleantes podrían ser una base prometedora para los futuros ordenadores cuánticos.
Un qubit representa una unidad básica de la computación cuántica.
Mientras que un bit clásico en los ordenadores actuales realiza una serie de operaciones lógicas partiendo de uno de los dos estados, 0 o 1, un qubit puede existir en una superposición de ambos estados.
Mientras se encuentra en este delicado estado intermedio, un qubit debería ser capaz de comunicarse simultáneamente con muchos otros y procesar múltiples flujos de información a la vez, para resolver rápidamente problemas que los ordenadores clásicos tardarían años en procesar.
Hay muchos tipos de qubits, algunos de ellos diseñados y otros que existen de forma natural.
La mayoría de ellos son notoriamente inconstantes, incapaces de mantener su superposición o poco dispuestos a comunicarse con otros.
En comparación, el nuevo elemento del equipo del MIT parece ser extremadamente robusto, capaz de mantener una superposición entre dos estados vibratorios, incluso en medio del ruido ambiental, durante hasta 10 segundos.
El equipo cree que se podría hacer que los nuevos qubits vibratorios interactuaran brevemente, y potencialmente llevar a cabo decenas de miles de operaciones en un abrir y cerrar de ojos.
"Calculamos que ellos deberían tardar sólo un milisegundo en interactuar, por lo que podemos esperar 10.000 operaciones durante ese tiempo de coherencia, lo que podría ser competitivo con otras plataformas", afirma Martin Zwierlein, profesor de física Thomas A. Frank del MIT. "Por tanto, hay una esperanza concreta de hacer que estos qubits computen".
Los físicos del MIT han descubierto que los pares de átomos pueden mantener una superposición de dos estados vibratorios.
Como si fueran dos péndulos, los átomos pueden moverse en sincronía, y uno contra otro, al mismo tiempo, lo que los convierte en robustos qubits para la computación cuántica.
Accidentes felices
El descubrimiento del equipo se produjo inicialmente por casualidad.
El grupo de Zwierlein estudia el comportamiento de los átomos en densidades ultrafrías y superbajas. Cuando los átomos se enfrían a temperaturas de una millonésima parte de las del espacio interestelar y se aíslan a densidades de una millonésima parte de las del aire, pueden surgir fenómenos cuánticos y nuevos estados de la materia.
En estas condiciones extremas, Zwierlein y sus colegas estudiaron el comportamiento de los fermiones.
Un fermión se define técnicamente como cualquier partícula que tiene un espín medio entero impar, como los neutrones, protones y electrones. En términos prácticos, esto significa que los fermiones son excluyentes por naturaleza.
No hay dos fermiones idénticos que puedan ocupar el mismo estado cuántico, una propiedad conocida como principio de exclusión de Pauli. Por ejemplo, si un fermión gira hacia arriba, el otro debe girar hacia abajo.
Los electrones son ejemplos clásicos de fermiones, y su exclusión mutua de Pauli es responsable de la estructura de los átomos y de la diversidad de la tabla periódica de elementos, junto con la estabilidad de toda la materia del universo.
Los fermiones son también cualquier tipo de átomo con un número impar de partículas elementales, ya que estos átomos también se repelen de forma natural.
El equipo de Zwierlein estudiaba átomos fermiónicos de potasio-40.
Enfriaron una nube de fermiones a 100 nanokelvines y utilizaron un sistema de láseres para generar una red óptica en la que atrapar los átomos.
Ajustaron las condiciones para que cada pozo de la red atrapara dos fermiones.
Al principio, observaron que, en determinadas condiciones, cada par de fermiones parecía moverse en sincronía, como una única molécula.
Para investigar más a fondo este estado vibracional, provocaron un “golpe” a cada par de fermiones, luego tomaron imágenes de fluorescencia de los átomos en la red, y vieron que de vez en cuando, la mayoría de los cuadrados de la red se oscurecían, reflejando los pares unidos en una molécula.
Pero a medida que seguían tomando imágenes del sistema, los átomos parecían reaparecer, de forma periódica, lo que indicaba que los pares oscilaban entre dos estados vibratorios cuánticos.
"A menudo, en la física experimental se tiene una señal brillante, y al momento siguiente se va al infierno, para no volver nunca más", dice Zwierlein.
"Aquí, se oscureció, pero luego volvió a ser brillante, y se repitió. Esa oscilación muestra que hay una superposición coherente que evoluciona en el tiempo. Fue un momento feliz".
"Un zumbido bajo"
Tras más imágenes y cálculos, los físicos confirmaron que los pares de fermiones mantenían una superposición de dos estados vibracionales, que se movían simultáneamente, como dos péndulas que se balancean en sincronía, y también en la misma, o en contra de la otra.
"Oscilan entre estos dos estados a unos 144 hercios", señala Hartke. "Es una frecuencia que se puede oír, como un zumbido bajo".
El equipo fue capaz de sintonizar esta frecuencia, y controlar los estados vibratorios de los pares de fermiones, en tres órdenes de magnitud, aplicando y variando un campo magnético, gracias a un efecto denominado resonancia Feshbach.
"Es como empezar con dos péndulos que no interactúan y, aplicando un campo magnético, creamos un muelle entre ellos, y podemos variar la fuerza de ese muelle, separando lentamente los péndulos", dice Zwierlein. De este modo, pudieron manipular simultáneamente unos 400 pares de fermiones.
Observaron que, como grupo, los qubits mantenían un estado de superposición durante hasta 10 segundos, antes de que los pares individuales colapsaran hacia uno u otro estado vibracional. "Demostramos que tenemos un control total sobre los estados de estos qubits", afirma Zwierlein.
Para crear un ordenador cuántico funcional con qubits vibratorios, el equipo tendrá que encontrar la forma de controlar también los pares de fermiones individuales, un problema que los físicos ya están cerca de resolver.
El mayor reto será encontrar la forma de que los qubits individuales se comuniquen entre sí. Para ello, Zwierlein tiene algunas ideas. "Este es un sistema en el que sabemos que podemos hacer que dos qubits interactúen", dice.
"Hay formas de reducir la barrera entre los pares, de modo que se junten, interactúen y luego se separen de nuevo, durante aproximadamente un milisegundo. Así que hay un camino claro hacia una puerta de dos qubits, que es lo que se necesitaría para hacer un ordenador cuántico".
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Debemos acostumbrarnos a incorporar esta terminología de a poco, ya que en pocos años será moneda corriente en las transacciones del mundo en el que vivimos.
Dedicaré otro artículo a explicar en detalle las diferencias entre nuestros conocidos bits y bytes; y sus nuevas versiones, los qubits y los qubytes. Mantenete sintonizado. Y no te alejes.
Acabas de leer la descripción de una experiencia de laboratorio orientada hacia un objetivo dado y que, merced a un hecho fortuito, ha cambiado su curso hacia otro; el que finalizó con un final feliz. No es raro que ello ocurra en este dominio en el que la incertidumbre juega un rol importante. Allí no pocas veces se progresa en base a una sucesión de pruebas y errores.
Los qubits pueden ser obtenidos con diversos métodos y cuánto más haya, mejor. Necesitamos que la computación cuántica esté disponible lo antes posible, en cuanto la tecnología lo permita. Los beneficios asociados a ella son incalculables.
Ahora me gustaría saber qué piensas sobre este tema. Espero verlo reflejado en los comentarios del artículo, en el Blog de nuestra página web.
Te agradezco el tiempo dedicado a leerlo y te mando un gran abrazo.