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¿Estamos listos para las computadoras cuánticas?

¿Estamos listos para las computadoras cuánticas?

Un reciente papel Google afirma que una computadora cuántica realizó un cálculo específico que asfixiaría incluso a la supercomputadora clásica más rápida del mundo y ha planteado muchas más preguntas de las que respondió. El principal de ellos es este: cuando lleguen las computadoras cuánticas completas, ¿estaremos listos?

Google logró este hito en el contexto de una realidad más aleccionadora: incluso las mejores computadoras cuánticas basadas en puertas hoy en día solo pueden reunir alrededor de 50 qubits. Un qubit, o bit cuántico, es la información básica en la computación cuántica, análoga a un bit en la computación clásica pero mucho más.

Las computadoras cuánticas basadas en puertas operan usando puertas lógicas pero, en contraste con las computadoras clásicas, explotan las propiedades inherentes de la mecánica cuántica, como la superposición, la interferencia y el enredo. Las computadoras cuánticas actuales son tan ruidosas y propensas a errores que la información en su estado cuántico se pierde en decenas de microsegundos a través de un mecanismo llamado decoherencia y puertas defectuosas.

Aún así, los investigadores están haciendo progresos demostrables, aunque lentos, hacia qubits más utilizables. Quizás en 10 años, o 20, alcanzaremos el objetivo de computadoras cuánticas confiables, a gran escala y tolerantes a errores que puedan resolver una amplia gama de problemas útiles.

Cuando llegue ese día, ¿qué debemos hacer con ellos?

Hemos tenido décadas para prepararnos. A principios de la década de 1980, el físico estadounidense Paul Benioff publicó un papel demostrando que un modelo de mecánica cuántica de una máquina de Turing, una computadora, era teóricamente posible. Casi al mismo tiempo, Richard Feynman argumentó que simular sistemas cuánticos a cualquier escala útil en computadoras clásicas siempre sería imposible porque el problema llegaría demasiado, demasiado grande: la memoria y el tiempo requeridos aumentarían exponencialmente con el volumen del sistema cuántico. En una computadora cuántica, los recursos necesarios aumentarían mucho menos radicalmente.

Feynman realmente lanzó el campo de la computación cuántica cuando sugirió que la mejor manera de estudiar sistemas cuánticos era simularlos en computadoras cuánticas. Simular la física cuántica es el aplicación para computadoras cuánticas. No te ayudarán a transmitir videos en tu teléfono inteligente. Si se pueden construir computadoras cuánticas grandes y tolerantes a fallas, nos permitirán explorar el extraño mundo de la mecánica cuántica a profundidades sin precedentes. Sigue reglas diferentes que el mundo que observamos en nuestra vida cotidiana y, sin embargo, sustenta todo.

En una computadora cuántica lo suficientemente grande, podríamos simular teorías de campo cuántico para estudiar la naturaleza más fundamental del universo. En química e investigación a nanoescala, donde dominan los efectos cuánticos, podríamos investigar las propiedades básicas de los materiales y diseñar nuevos para comprender mecanismos como la superconductividad no convencional. Podríamos simular y comprender nuevas reacciones químicas y nuevos compuestos, que podrían ayudar en el descubrimiento de fármacos.

Al profundizar en las matemáticas y la teoría de la información, ya hemos desarrollado muchas herramientas teóricas para hacer estas cosas, y los algoritmos están más avanzados que la tecnología para construir las máquinas reales. Todo comienza con un modelo teórico de la computadora cuántica, que establece cómo utilizará la mecánica cuántica para realizar un cálculo útil. Los investigadores escriben algoritmos cuánticos para realizar una tarea o resolver un problema utilizando ese modelo. Básicamente, se trata de una secuencia de puertas cuánticas junto con una medición del estado cuántico que proporciona la información clásica deseada.

Entonces, por ejemplo, Algoritmo de Grover muestra una forma de realizar búsquedas más rápidas. Algoritmo de Shor ha demostrado que las computadoras cuánticas grandes algún día podrán romper los sistemas de seguridad informática basados ​​en RSA, un método ampliamente utilizado para proteger, por ejemplo, el correo electrónico y los sitios web financieros en todo el mundo.

En mi investigación, mis colegas y yo tener demostró algoritmos muy eficientes para realizar cálculos útiles y estudiar sistemas físicos. También hemos demostrado uno de los métodos en una de las primeras simulaciones cuánticas a pequeña escala de un sistema de electrones, en un procesador de información cuántica de resonancia magnética nuclear. Otros también han seguido nuestro trabajo y Teorías de campo cuántico simple simuladas recientemente en las ruidosas computadoras cuánticas de escala intermedia disponibles hoy y en experimentos de laboratorio.

Mientras esperamos que el hardware se ponga al día con la teoría, los investigadores en ciencias de la información cuántica continuarán estudiando e implementando algoritmos cuánticos útiles para las máquinas actualmente ruidosas y llenas de fallas. Pero muchos de nosotros también tenemos una visión más amplia, empujando la teoría profundamente en la intersección de la física cuántica, la teoría de la información, la complejidad y las matemáticas y abriendo nuevas fronteras para explorar, una vez que tengamos las computadoras cuánticas para llevarnos allí.

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