El cálculo cuántico está listo para transformar nuestras vidas. Conoce al hombre que dirige la carga de Google

John Martinis muestra cómo construye su computadora qubit y lo que hará

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John Martinis, profesor de física en la Universidad de Santa Bárbara y director del laboratorio de computación cuántica de Google, está menos preocupado por el bienestar del infame gato de Schrödinger que por cómo puede entrenarlo para resolver problemas matemáticos complejos.

El año pasado, Martinis dio el primer paso hacia la construcción de una computadora cuántica con un grupo de trabajo de nueve bits cuánticos (qubits) capaces de verificar errores1. Ahora ha comenzado a expandir esto, con el objetivo de demostrar un grupo de 100 qubits en los próximos años. DyN Noticias le habló sobre los desafíos involucrados.

DyN Noticias: ¿Qué tan poderoso es el tipo potencial de computadora cuántica que construyes?

John Martinis: La computación clásica se basa en almacenar y manipular bits simples de información, que pueden ser 0 o 1. Con el cálculo cuántico, usamos las leyes de la mecánica cuántica para construir bits que son 0 y 1 al mismo tiempo. Esto nos permite crear una máquina de procesamiento en paralelo en la que, en lugar de un algoritmo que ejecuta el caso 0 y luego ejecuta el caso 1 y así sucesivamente para obtener una respuesta, podemos ejecutar 0 y 1 simultáneamente. Con un solo bit, la paralelización acelera las cosas en un factor de dos a la potencia de uno (ha duplicado la velocidad), pero esa potencia aumenta por cada bit cuántico adicional que agrega, por lo que el aumento en la velocidad es exponencial. Entonces, una vez que alcanzó los 300 qubits, aceleró las cosas en un factor de dos a la potencia de 300, que es mayor que la cantidad de átomos en todo el universo. No puedes hacer esto con una computadora clásica.

¿Cómo construyes qubits y por qué elegiste este método?

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Construimos el nuestro a partir de cables de aluminio superconductores, enfriados a 20 milikelvins (-273,13 ° C), que oscila a unos cinco o seis gigahercios, las frecuencias de los teléfonos móviles. Luego, puede escribir funciones de onda para que la corriente fluya en el cable del oscilador en dos direcciones al mismo tiempo. Esto no tiene sentido en la mecánica clásica, pero la mecánica cuántica nos da un estado simultáneo de 0 y 1. La ventaja es que podemos usar conceptos de ingeniería de microondas para diseñarlos y operarlos, lo cual está ligado a la tecnología existente. Podemos ponerlos en circuitos integrados2, por lo que una vez que aprendamos a hacer esto con unos pocos qubits, podemos expandirnos utilizando la fabricación de semiconductores actual.

¿Qué tan difícil es crear qubits que puedan mantener tanto el estado 0 como el estado 1?

Puede construir una computadora clásica para que tenga bajas tasas de error, pero no puede construir esa estabilidad en bits cuánticos. Tomemos, por ejemplo, el proceso de descomposición de la energía. El estado 1 del qubit tiene más energía que el estado 0 y la diferencia de energía es muy pequeña, por lo que si el qubit pierde un poco de energía, cae al estado 0 y has perdido la información que tenía. A esto se le llama decoherencia. Debido a que los materiales imperfectos pueden absorber energía, necesitamos desarrollar una forma completamente nueva de construir nuestros qubits. Los microprocesadores típicos usan dióxido de silicio como aislante entre cables, por ejemplo, pero de hecho tiene fugas a bajas temperaturas, por lo que no podemos usarlo. En cambio, tenemos que construir un puente aéreo por nuestra cuenta cada vez que cruzamos los cables, por lo que no hay materiales que absorban energía.

¿Cuánto tiempo ha podido mantener los qubits en un estado constante?

Aproximadamente 50 microsegundos más o menos. Suena pequeño, pero la relación entre el tiempo de consistencia y el tiempo de actividad es importante. Podemos realizar una operación en aproximadamente diez nanosegundos, por lo que la proporción es de aproximadamente 5,000, una cantidad bastante grande de operaciones antes de perder consistencia. Los 50 microsegundos son el resultado de diez años de investigación sobre cómo construir circuitos integrados. El siguiente paso es aprender a controlar adecuadamente sus qubits para prolongar su vida.

¿Puede darnos una indicación del alcance del desafío de los errores causados ​​por la inconsistencia para hacer que su computadora cuántica sea confiable?

Al igual que con los cálculos clásicos, existe un umbral para la frecuencia con la que puede obtener un error: si tiene demasiados, cometa errores más rápido de lo que puede corregir. Necesita 1000 qubits para almacenar un poco de información, por lo que la tasa de error debe ser inferior a un error en 1000 operaciones. Para hacer esto, necesitamos mejorar la tasa de error en un factor de 1018 (un quintilón). Logramos mostrar la verificación de errores con un factor de diez mejoras en dos qubits y observamos la escalada a decenas o cientos de qubits. Por lo tanto, podemos agregar más y más qubits y la corrección de errores debería mejorar cada vez más.

¿Con cuántos qubits trabajas y cómo expandirás esto?

Todavía estamos trabajando en el nivel de nueve qubits, pero estamos construyendo la infraestructura para 100 o 200 qubits. El problema básico es que no se puede copiar información cuántica y todo está relacionado con todo lo demás. Entonces, a diferencia del cálculo clásico, no puede dividir la tarea entre diferentes grupos de ingenieros y volver a armarla.

Está desarrollando un agente de reacondicionamiento cuántico, como el creado por la startup canadiense D-Wave que Google adquirió en 2013. ¿Qué hace esto?

Un agente de reacondicionamiento cuántico le permite resolver problemas de optimización al encontrar la solución de energía mínima para un sistema, dada la forma en que los qubits interactúan entre sí. Esto será muy útil para el aprendizaje automático, si está tratando de encontrar el mínimo de funciones para una red neuronal que le brinde el mejor ajuste para un gran conjunto de datos. Esto lleva mucho tiempo con los algoritmos clásicos; con los algoritmos cuánticos, deberíamos poder explorar todo el espacio posible a la vez para encontrar este mínimo. Adoptamos un enfoque diferente para D-Wave. Han construido muchos qubits sin preocuparse demasiado por el tiempo de consistencia, por lo que creemos que no será mucho más fuerte que una computadora portátil.

¿Qué más estás trabajando?

Veo el analizador cuántico como un enfoque analógico, pero también intentamos crear una computadora cuántica digital; teóricamente, puedes programar cualquier problema que desees en él. También estamos planeando un experimento sobre supremacía cuántica, que implicaría realizar un cálculo en una computadora cuántica que requeriría verificar la supercomputadora más grande del mundo. Quizás ninguna computadora clásica podría verificarlo. Una computadora clásica puede competir hasta alrededor de 40-45 qubits, por lo que necesitaríamos al menos tantos con un buen tiempo de consistencia. Luego, en los próximos cinco a diez años, tal vez más, esperamos resolver un problema del mundo real con él. Mucha gente especula sobre el período de tiempo para esto y hay muchos números diferentes, pero en realidad estoy tratando de construirlo, y eso es algo muy, muy difícil de hacer.

1. y 3. Kelly, J., Barends, R., Fowler, AG, Megrant, A., Jeffrey, E., White, TC y Chen, Z. (2015). Conservación del estado mediante la detección repetida de errores en un circuito cuántico superconductor. Naturaleza, 519.

2. Devoret, MH y Martinis, JM (2005). Implementación de cables con circuitos integrados superconductores. En Aspectos experimentales del cálculo cuántico (págs. 163-203). Springer Estados Unidos.

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