CHINA | Ciencias y Tecnología

La computadora cuántica basada en luz supera a las supercomputadoras clásicas más rápidas


Por Agencias
Publicada:2020-12-12

La configuración de láseres y espejos "resolvió" eficazmente un problema demasiado complicado incluso para el sistema informático tradicional más grande.


Imagen ilustrativa
La computadora cuántica basada en luz supera a las supercomputadoras clásicas más rápidas

La configuración de láseres y espejos "resolvió" eficazmente un problema demasiado complicado incluso para el sistema informático tradicional más grande

Los físicos dirigidos por Chao-Yang Lu y Jian-Wei Pan de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) en Shanghai realizaron una técnica llamada muestreo de bosones gaussianos con su computadora cuántica, llamada Jiŭzhāng. El resultado, publicado en la revista Science, fue de 76 fotones detectados, muy por encima del registro anterior de cinco fotones detectados y las capacidades de las supercomputadoras clásicas.

A diferencia de una computadora tradicional construida a partir de procesadores de silicio, Jiŭzhāng es una configuración de mesa elaborada de láseres, espejos, prismas y detectores de fotones. No es una computadora universal que algún día podría enviar correos electrónicos o almacenar archivos, pero demuestra el potencial de la computación cuántica.

El año pasado, Google capturó los titulares cuando su computadora cuántica Sycamore tardó aproximadamente tres minutos en hacer lo que a una supercomputadora le tomaría tres días (o 10,000 años, dependiendo de su método de estimación). En su artículo, el equipo de la USTC estima que al Sunway TaihuLight, la tercera supercomputadora más poderosa del mundo, le llevaría 2.500 millones de años realizar el mismo cálculo que Jiŭzhāng.

Esta es solo la segunda demostración de primacía cuántica, que es un término que describe el punto en el que una computadora cuántica supera exponencialmente a cualquier clásica, haciendo de manera efectiva lo que de otro modo sería esencialmente computacionalmente imposible. No es solo una prueba de principio; También hay algunos indicios de que el muestreo del bosón gaussiano podría tener aplicaciones prácticas, como la resolución de problemas especializados en química cuántica y matemáticas. En términos más generales, la capacidad de controlar los fotones como qubits es un requisito previo para cualquier Internet cuántico a gran escala. (Un qubit es un bit cuántico, análogo a los bits utilizados para representar información en la informática clásica).

"No era obvio que esto iba a suceder", dice Scott Aaronson, un científico informático teórico ahora en la Universidad de Texas en Austin, quien junto con el entonces estudiante Alex Arkhipov describió por primera vez los conceptos básicos del muestreo de bosones en 2011. Experimentos de muestreo de bosones estuvieron, durante muchos años, atrapados en alrededor de tres a cinco fotones detectados, lo que es "un trecho enorme" desde la primacía cuántica, según Aaronson. "Ampliarlo es difícil", dice. "Me quito el sombrero ante ellos".

En los últimos años, la computación cuántica ha pasado de la oscuridad a una empresa multimillonaria reconocida por su impacto potencial en la seguridad nacional, la economía global y los fundamentos de la física y la informática. En 2019, la Ley de Iniciativa Cuántica Nacional de EE. UU. Se convirtió en ley para invertir más de $ 1.2 mil millones en tecnología cuántica durante los próximos 10 años. El campo también ha generado una gran cantidad de publicidad, con líneas de tiempo poco realistas y afirmaciones grandilocuentes sobre las computadoras cuánticas que hacen que las computadoras clásicas sean completamente obsoletas.

Esta última demostración del potencial de la computación cuántica del grupo USTC es fundamental porque difiere drásticamente del enfoque de Google. Sycamore usa bucles superconductores de metal para formar qubits; en Jiŭzhāng, los fotones mismos son los qubits. La corroboración independiente de que los principios de la computación cuántica pueden conducir a la primacía incluso en hardware totalmente diferente "nos da la confianza de que, a largo plazo, eventualmente, serán factibles simuladores cuánticos útiles y una computadora cuántica tolerante a fallas", dice Lu.

¿Por qué las computadoras cuánticas tienen un potencial enorme? Considere el famoso experimento de doble rendija, en el que se dispara un fotón a una barrera con dos rendijas, A y B. El fotón no pasa por A, ni por B. En cambio, el experimento de doble rendija muestra que el fotón existe en una "superposición", o combinación de posibilidades, de haber pasado por A y B. En teoría, explotar propiedades cuánticas como la superposición permite a las computadoras cuánticas lograr aceleraciones exponenciales sobre sus contrapartes clásicas cuando se aplica a ciertos problemas específicos.

Los físicos a principios de la década de 2000 estaban interesados ​​en explotar las propiedades cuánticas de los fotones para hacer una computadora cuántica, en parte porque los fotones pueden actuar como qubits a temperatura ambiente, por lo que no hay necesidad de la costosa tarea de enfriar el sistema a unos pocos kelvin ( aproximadamente -455 grados Fahrenheit) como con otros esquemas de computación cuántica. Pero rápidamente se hizo evidente que construir una computadora cuántica fotónica universal no era factible. Incluso para construir una computadora cuántica en funcionamiento se necesitarían millones de láseres y otros dispositivos ópticos. Como resultado, la primacía cuántica con fotones parecía fuera de alcance.

Luego, en 2011, Aaronson y Arkhipov introdujeron el concepto de muestreo de bosones, mostrando cómo se podía hacer con una computadora cuántica limitada hecha de unos pocos láseres, espejos, prismas y detectores de fotones. De repente, hubo un camino para que las computadoras cuánticas fotónicas mostraran que podían ser más rápidas que las computadoras clásicas.

La configuración para el muestreo de bosones es análoga al juguete llamado máquina de frijoles, que es solo un tablero con clavijas cubierto con una hoja de vidrio transparente. Las bolas se dejan caer en las filas de clavijas desde la parte superior. En su camino hacia abajo, rebotan en las clavijas y entre sí hasta que aterrizan en las ranuras en la parte inferior. Simular la distribución de bolas en las ranuras es relativamente fácil en una computadora clásica.

Era 1962, temprano en la era de las computadoras, y una máquina del tamaño de una habitación había calculado la ruta de vuelo para su próxima órbita de la Tierra, la primera para un estadounidense. Pero Glenn no estaba dispuesto a confiar su vida a una máquina novedosa que pudiera cometer un error.

El astronauta solicitó que la matemática Katherine Johnson revisara los números de la computadora, como se relata en el libro Figuras ocultas. "Si ella dice que son buenos", dijo Glenn, "entonces estoy listo para ir". Johnson determinó que la computadora, una IBM 7090, era correcta, y el viaje de Glenn se convirtió en un hito celebrado de los vuelos espaciales (SN: 3/3/62, p. 131).

En lugar de bolas, el muestreo de bosones utiliza fotones y reemplaza las clavijas con espejos y prismas. Los fotones de los láseres rebotan en los espejos y atraviesan los prismas hasta que aterrizan en una "ranura" para ser detectados. A diferencia de las bolas clásicas, las propiedades cuánticas del fotón conducen a un número cada vez mayor de posibles distribuciones.

El problema que resuelve el muestreo de bosones es esencialmente "¿Cuál es la distribución de fotones?" El muestreo de bosones es una computadora cuántica que se resuelve a sí misma al ser la distribución de fotones. Mientras tanto, una computadora clásica tiene que averiguar la distribución de fotones calculando lo que se llama el "permanente" de una matriz. Para una entrada de dos fotones, este es solo un cálculo corto con una matriz de dos por dos. Pero a medida que aumenta el número de entradas y detectores fotónicos, el tamaño de la matriz crece, aumentando exponencialmente la dificultad computacional del problema.

El año pasado, el grupo de la USTC hizo una demostración de muestreo de bosones con 14 fotones detectados, algo difícil de calcular para una computadora portátil, pero fácil para una supercomputadora. Para escalar a la primacía cuántica, utilizaron un protocolo ligeramente diferente, el muestreo de bosones gaussianos.

Según Christine Silberhorn, experta en óptica cuántica de la Universidad de Paderborn en Alemania y una de las co-desarrolladoras del muestreo de bosones gaussianos, la técnica fue diseñada para evitar los fotones individuales poco confiables usados ​​en el muestreo de bosones de vainilla de Aaronson y Arkhipov.

"Tenía muchas ganas de hacerlo práctico", dice. "Es un esquema que es específico para lo que se puede hacer experimentalmente".

Aun así, reconoce que la configuración de la USTC es tremendamente complicada. Jiŭzhāng comienza con un láser que se divide para que golpee 25 cristales hechos de titanil fosfato de potasio. Después de que se golpea cada cristal, escupe de manera confiable dos fotones en direcciones opuestas. Los fotones luego se envían a través de 100 entradas, donde corren a través de una pista hecha de 300 prismas y 75 espejos. Finalmente, los fotones aterrizan en 100 ranuras donde son detectados. Con un promedio de más de 200 segundos de corridas, el grupo de la USTC detectó aproximadamente 43 fotones por corrida. Pero en una ejecución, observaron 76 fotones, más que suficiente para justificar su afirmación de primacía cuántica.

Es difícil estimar cuánto tiempo necesitaría una supercomputadora para resolver una distribución con 76 fotones detectados, en gran parte porque no es exactamente factible pasar 2.500 millones de años ejecutando una supercomputadora para verificarla directamente. En cambio, los investigadores extrapolan el tiempo que lleva calcular clásicamente para cantidades más pequeñas de fotones detectados. En el mejor de los casos, la resolución de 50 fotones, afirman los investigadores, llevaría dos días a una supercomputadora, lo que es mucho más lento que el tiempo de ejecución de 200 segundos de Jiŭzhāng.

Los esquemas de muestreo de bosones han languidecido en cantidades bajas de fotones durante años porque son increíblemente difíciles de escalar. Para preservar la disposición cuántica sensible, los fotones deben permanecer indistinguibles. Imagínese una carrera de caballos en la que todos los caballos deben salir de la puerta de salida exactamente al mismo tiempo y terminar al mismo tiempo. Los fotones, desafortunadamente, son mucho menos confiables que los caballos.

Como los fotones en Jiŭzhāng viajan una trayectoria de 22 metros, sus posiciones pueden diferir en no más de 25 nanómetros. Eso es el equivalente a 100 caballos recorriendo 100 kilómetros y cruzando la línea de meta con no más de un pelo entre ellos, dice Lu.

BÚSQUEDA CUÁNTICA

La computadora cuántica de la USTC toma su nombre, Jiŭzhāng, de Jiŭzhāng Suànshù, o "Los nueve capítulos sobre el arte matemático", un antiguo texto chino con un impacto comparable a los Elementos de Euclides.

La computación cuántica también tiene muchos giros y vueltas por delante. Superar a las computadoras clásicas no es un trato único, según Lu, sino que será una competencia continua para ver si los algoritmos y las computadoras clásicas pueden ponerse al día, o si las computadoras cuánticas mantendrán la primacía que han tomado.

Es poco probable que las cosas estén estáticas. A finales de octubre, los investigadores de la empresa canadiense de computación cuántica Xanadu encontraron un algoritmo que recortaba cuadráticamente el tiempo de simulación clásico para algunos experimentos de muestreo de bosones. En otras palabras, si 50 fotones detectados fueran suficientes para la primacía cuántica antes, ahora necesitaría 100.

Para los informáticos teóricos como Aaronson, el resultado es emocionante porque ayuda a dar más pruebas contra la tesis extendida de Church-Turing, que sostiene que cualquier sistema físico puede simularse de manera eficiente en una computadora clásica.

"En el nivel más amplio, si pensamos en el universo como una computadora, ¿qué tipo de computadora es?" Aaronson dice. “¿Es una computadora clásica? ¿O es una computadora cuántica? "

Hasta ahora, el universo, como las computadoras que estamos intentando hacer, parece ser obstinadamente cuántico.


Autor: Daniel Garisto
Daniel Garisto es un periodista científico independiente que cubre los avances en física y otras ciencias naturales. Sus escritos han aparecido en Nature News, Science News, Undark y en otros lugares.







Noticias relacionadas de CHINA

✅ Colapso autoinfligido de los lazos científicos entre Estados Unidos y China
✅ Científicos chinos logran ventaja computacional cuántica
✅ China:La teoría de los alimentos congelados contaminados, origen de la pandemia Covid-19?
✅ Las dos espadas de China para frenar a EEUU
✅ La economía de China está preparada para un gran salto, un salto cuántico.

Te puede interesar!

Paula Narváez renuncia a
Ley Hermógenes, para cas


10 estrellas de cine suec
Nasalferón, las gotas na
La realidad no existe has

estocolmo



Ultimas Noticias

De interés

Consultas Servel Chile
Chile a 40 años del Golpe”  title=”Chile a 40 años del Golpe”  border=
Punto Final”  title=”PuntoFinal”  border=
Premio Nobel
Biblioteca Nacional
Memoria chilena
Cine chileno
Ñuque Mapu
Ñuque Mapu
estocolmo
  • Dirección

  • Stockholm & /126 50
  • +46 (0) xxx xx 31

  • info@estocolmo.se



  • Regiónes


    Suecia

    Africa

    América

    Asia

    Europa

    Oriente Medio

    Temas


    Política

    Cultura

    Salud

    Tecnología

    Chile 40 años del Golpe

    Quienes somos

    estocolmo.se, grundades 1998-06-05. Det var en av den första webbplatsen på spanska, publicerad i Stockholm, Sverige.