Científicos rusos establecieron un récord mundial en computación cuántica.

Hay quienes aún consideran las tecnologías cuánticas como algo similar a la alquimia o incluso al esoterismo, y generalmente no creen en ellas. Mientras tanto, las tecnologías cuánticas son uno de los temas principales en las conversaciones del jefe de Estado con los directores de corporaciones estatales y la Academia Rusa de Ciencias, junto con la microelectrónica, los nuevos materiales y la exploración espacial. Esto significa que sí tienen cierto mérito, y necesitamos comprender, al menos de forma simplificada, qué son.

"Onda-partícula" indivisible

Los libros de referencia nos dicen que un cuanto es la porción más pequeña e indivisible de una magnitud física, como la energía o la luz. Es decir, un cuanto de luz es un fotón, un cuanto de materia es un átomo, un cuanto de carga es la carga de un electrón... Los cuantos se comportan tanto como partículas como como ondas, y poseen la propiedad de existir en varios estados simultáneamente. Por ejemplo, un electrón en un átomo no tiene una trayectoria fija de rotación alrededor del núcleo, como un planeta alrededor del Sol. Podemos medir su energía o velocidad, pero no podemos determinar su ubicación sin destruir su estado.

Este estado de incertidumbre se denomina superposición. Para ilustrar este principio, el físico austriaco Erwin Schrödinger propuso un experimento mental a mediados de la década de 1930: se coloca un gato en una caja oscura con un veneno mortal, que podría, con cierta probabilidad, funcionar o no. Por lo tanto, hasta que se abre la caja (es decir, hasta que se detiene el sistema), no sabemos si el gato está vivo o muerto, y por lo tanto se encuentra en una superposición de "vivo-muerto".

Otra característica fundamental de la mecánica cuántica es el entrelazamiento cuántico. Esto significa que los estados de dos o más partículas pueden estar tan estrechamente interconectados que no pueden describirse por separado, independientemente de la distancia entre ellas. Se "perciben" mutuamente, por así decirlo, a través de una gran distancia, y un cambio en una partícula implica inmediatamente un cambio en la otra. Un ejemplo muy aproximado de este principio son los calcetines. Imagina que compraste un par de calcetines nuevos idénticos en la tienda. Le das un calcetín a un amigo que va a Vladivostok y te quedas con el otro. ¿Cómo sabes qué calcetín terminó en Vladivostok, el izquierdo o el derecho? Nunca lo sabrás hasta que realices una acción específica con tu propio calcetín: ponértelo. Si te pones el calcetín en el pie derecho, y en Vladivostok, automáticamente será el calcetín izquierdo.

Los principios descritos se utilizan para crear una computadora cuántica. Por ejemplo, en una computadora clásica, la unidad fundamental de información es un bit, que solo puede estar en uno de dos estados: "0" o "1" ("apagado" o "encendido"). En una computadora cuántica, el equivalente de un bit es un cúbit, que puede estar no solo en el estado "0" o "1", sino también en una superposición de ambos, es decir, representando simultáneamente ambos valores con ciertas probabilidades. Mediante la superposición y el entrelazamiento, las computadoras cuánticas son teóricamente capaces de resolver ciertos problemas significativamente más rápido que las supercomputadoras clásicas más potentes.

¿Desaparecerá el sistema binario?

Aunque la idea de la computación cuántica fue propuesta por primera vez en 1980 por el científico soviético Yuri Manin y el estadounidense Paul Benioff, la carrera cuántica apenas comenzó en 2018 (Rusia se unió en 2020). Como afirman los desarrolladores, el concepto de una "computadora cuántica" aún está en sus inicios y requerirá mucho tiempo para madurar.

Sin embargo, muchos ya declaran que, una vez plenamente desarrollado, este milagro de la tecnología y el pensamiento humano se diferenciará más de la tecnología del ábaco moderno que una computadora moderna de... un ábaco. Si bien un ábaco de madera y nuestra computadora personal son, después de todo, eslabones del mismo sistema binario, la tecnología del ábaco cuántico será significativamente diferente, permitiendo a los humanos acceder a un mundo completamente distinto de problemas y soluciones, tal como la creación de la nave espacial nos permitió en su día abandonar la Tierra y entrar en el espacio. Recordemos ahora qué porcentaje de personas en los albores de la era espacial creían que esto sucedería alguna vez.

Se espera que la aceleración espacial de los cálculos en una computadora cuántica ayude a crear medicinas personalizadas, desentrañar los secretos del cerebro y crear los sistemas de protección de datos más fiables, es decir, el cifrado. Sin embargo, una computadora cuántica no reemplazará a la que se utilizó en este artículo. ¿Por qué? Porque tendrá tareas diferentes, más allá de las capacidades de una computadora convencional, al igual que las tareas de un cohete espacial superan las capacidades de nuestro tren terrestre de alta velocidad.

Arquitectos informáticos

El desarrollo de computadoras cuánticas basadas simultáneamente en cuatro plataformas cuánticas diferentes se considera actualmente prometedor: átomos neutros, fotones, superconductores e iones. Rusia, como país líder en este campo, también está incursionando en estas áreas. Los expertos confían en que esta diversidad nos permitirá alcanzar los máximos resultados en diversas áreas de la computación. También es posible que, con el tiempo, alguno de estos enfoques de desarrollo se convierta en un callejón sin salida o que surja una nueva dirección prometedora.

La tecnología más avanzada hoy en día se considera la creación de cúbits basados ​​en circuitos superconductores. El récord en esta categoría lo ostenta el procesador cuántico Condor de IBM, de 1121 cúbits.

Pero el número de cúbits por sí solo, según Ilya Semerikov, desarrollador del ordenador cuántico iónico ruso de 50 cúbits, no nos dice mucho. En un ordenador cuántico, la calidad computacional y la minimización de errores son especialmente valiosas, y en estos aspectos, nuestro ordenador es casi tan bueno como el de 1121 cúbits. Sin embargo, alcanzar la precisión del ordenador cuántico iónico Quantinuum H2-1 de 56 cúbits requerirá cierto trabajo.

Según Semerikov, la computadora rusa utiliza una cadena de iones de iterbio como cúbits. La tecnología de cúbits iónicos se basa en el uso de campos electromagnéticos para atrapar iones individuales en el espacio. Estas partículas quedan "suspendidas" en una trampa y permanecen prácticamente inmóviles, lo que reduce la interferencia externa y permite mantener su estado cuántico durante un tiempo relativamente largo. En la trampa de iones, las partículas se enfrían casi hasta el cero absoluto y su estado puede manipularse mediante pulsos láser. La secuencia de estos pulsos constituye la base de los algoritmos cuánticos.

Así pues, el ordenador ruso tiene menos cúbits que el estadounidense, pero esta pequeña cantidad de unidades de información se compensa con la alta fiabilidad de sus operaciones. Los investigadores de FIAN probaron una idea original: no usaron un simple cúbit (sistema cuántico de dos niveles), sino uno de cuatro niveles (un sistema cúbit) como unidad de cálculo, lo que resulta entre dos y seis veces más eficiente, dependiendo de los algoritmos computacionales subyacentes.

Campeones de los estados sutiles

Para algunos algoritmos, esta arquitectura en particular resultó más ventajosa, lo que llevó a nuestros científicos el año pasado a implementar los llamados algoritmos Grover, que ofrecen una aceleración significativa de los algoritmos para la búsqueda en bases de datos desordenadas. En el experimento, entrenaron una red neuronal para clasificar imágenes manuscritas de dígitos mediante una computadora cuántica.

Más recientemente, científicos del Instituto de Física se distinguieron por ser los primeros del mundo en demostrar una operación de entrelazamiento multicúbit, la "puerta Toffoli", en su computadora cuántica, con el máximo número de cúbits. Esto se publicó recientemente en la prestigiosa revista de física Physical Review Letters.

Referencia MK: La puerta Toffoli es un elemento de lógica cuántica, una "palanca" que actúa sobre tres cúbits (bits cuánticos). Cambia el estado del tercer cúbit solo si los dos primeros están en el estado "1" (es decir, muestran el valor correcto). De lo contrario, no cambia el tercer cúbit ni tiene efecto sobre los dos primeros.

"Se trataba de una operación lógica multicúbit generalizada sobre 10 cúbits", explica Ilya Semerikov. "Hasta la fecha, es la operación de este tipo más grande documentada en la literatura científica mundial. Esta puerta (o 'palanca') se aplica a varios algoritmos cuánticos a la vez, incluido el algoritmo de corrección de errores. Y lo que demostramos se debe en gran medida a nuestros teóricos del grupo de Alexey Fedorov; ellos idearon una forma de utilizar sistemas cuánticos multinivel para realizar esta operación multipartícula, por ejemplo, en 10 pasos en lugar de 100.

– ¿Qué tan potentes han demostrado ser ya los ordenadores cuánticos en comparación con los convencionales?

– En absoluto... Todavía no existen tareas útiles en las que las computadoras cuánticas superen a las clásicas. Este es el resultado que científicos de todo el mundo buscan hoy.

– Pero leo sobre nuevos medicamentos contra el cáncer, por ejemplo, que ya se están descubriendo mediante computación cuántica...

Por ahora, hablamos de computadoras cuánticas que realizan un cálculo específico con un objetivo final. Estos son proyectos piloto por ahora, para aprender a trabajar con computadoras cuánticas. Les daré una analogía: tienen una máquina que puede contar bien del 1 al 100, y les presento otra que solo puede contar hasta 3, pero muy rápido. Dicen: "Bien, multipliquemos su potencia 30 veces y luego veremos si puede contar hasta 100". Ese es el nivel de nuestras computadoras cuánticas actuales.

La inteligencia artificial, otra tecnología prometedora, parece haber avanzado mucho más. ¿Serán en vano los esfuerzos por crear una computadora cuántica madura?

Sin duda, la IA está mostrando muy buenos resultados actualmente. En cuanto a la creación de fármacos y compuestos químicos complejos, las redes neuronales muestran resultados mucho mejores. También las utilizamos para optimizar nuestra computadora cuántica. Pero hay una diferencia: la IA solo funciona cuando hay una muestra grande, una base de datos específica, y solo necesita "adivinar" y "completar" la imagen que el cliente (el ser humano) espera. Una computadora cuántica, en cambio, puede funcionar sin datos iniciales ni entrenamiento previo.

– ¿Pero qué nos permite creer en sus posibilidades futuras?

En general, una computadora cuántica sigue siendo sorprendente en sí misma. Muchos, incluso entre los desarrolladores, aún no comprenden cómo puede realizar incluso cálculos sencillos. El récord mundial que demostramos con el algoritmo de Toffoli es un resultado importante en el camino hacia aplicaciones prácticas reales en el futuro. Una computadora cuántica debería ayudar a una computadora clásica a resolver problemas potencialmente más complejos, como el modelado de materiales y compuestos químicos fundamentalmente nuevos, logística compleja y energía. Se conocen algoritmos para estos problemas, pero para que funcionen, una computadora cuántica debe ser varios órdenes de magnitud más potente que la actual. Los teóricos y algorítmicos cuánticos también continúan su trabajo, y espero que pronto veamos nuevas clases de algoritmos cuánticos.