Velocidad cuántica: ¿para qué sirven las computadoras más veloces del mundo?

— Alexéi, ¿qué es lo que los científicos quieren de las computadoras cuánticas?

— Creo que antes que nada, es un instrumento para la creación de materiales con las propiedades que deseemos. Para proyectar una molécula que tenga más de 50 enlaces interatómicos, son insuficientes las capacidades de todas las computadoras en la Tierra. Al día de hoy, podemos crear nuevas moléculas estables solo de manera empírica, comprobando experimentalmente sus propiedades químicas, mientras que una computadora cuántica nos permitirá resolver este problema de manera analítica.

Existe todo un abanico de problemas que una computadora convencional no puede resolver. Los principios de una amplia gama de campos —desde la criptografía hasta la inteligencia artificial— podrían cambiar totalmente con la llegada de las computadoras cuánticas.

Hay que tener en cuenta que nos tardamos más de 10 años desde la invención del transistor para que madurara la idea de un microprocesador y comprendiéramos los problemas que este puede resolver. Creo que la situación con una computadora cuántica es similar: cuando resolvamos las dificultades fundamentales y creemos un equipo funcional, encontraremos muchas posibilidades.

— ¿Qué es el cúbit?

— Es el análogo del bit en las computadoras convencionales, pero a diferencia de este, puede llevar simultáneamente valores en todo el intervalo del 1 a 0, en contraste con un bit convencional que es estrictamente 1 o 0.

La física permite que el cúbit sea cualquier partícula. El momento magnético de una partícula —la fuerza que puede ejercer sobre las corrientes eléctricas— tiene dos direcciones y son estas las que determinan el dígito binario de 1 o 0, como en las computadoras convencionales.
Además, la información en los bits se procesa secuencialmente, bit por bit, mientras que los cúbits permiten procesar toda la matriz de datos al mismo tiempo, gracias al efecto del paralelismo cuántico.

— ¿Cómo se puede manejar un cúbit?

— Los posibles valores de un cúbit se pueden representar como la superficie de una esfera que los expertos llamamos esfera de Bloch. La implementación de operaciones lógicas en el proceso de cálculo consiste en mover un punto a lo largo de esta superficie.

Los cúbits pueden ser controlados por señales de microondas que cambian el estado de energía de la partícula. La lectura de los resultados se realiza mediante un resonador especial: es como escuchar un sonido sintonizado de un cúbit, que solo suena en el rango de frecuencia característico de las comunicaciones móviles.

— ¿Cuántos cúbits hacen falta para que la computadora cuántica sea funcional?

— Creo que la cantidad no es el indicador más importante, en absoluto. El poder de una computadora cuántica crece no proporcionalmente al número de cúbits, sino exponencialmente: es decir, agregando, por ejemplo, a quince cúbits uno más, aumentaremos la potencia de cómputo total en un 50%.

Sin embargo, formar un cúbit, al parecer, un sistema extremadamente simple que consta de una partícula, requiere de mucho trabajo. Por ejemplo, para que las operaciones con sentido sean posibles, es necesario eliminar la interferencia física que introduce errores en el cálculo, desde fluctuaciones de temperatura hasta rayos cósmicos.

Por lo tanto, creo que lo más importante ahora es mejorar las propiedades de los cúbits y la calidad de la interacción entre ellos. Los errores que ocurren en un cúbit pueden ser bastante cruciales y con un aumento en el número de cúbit, aumenta el número de errores. Superar la decoherencia cuántica, es decir, crear un sistema coherente y estable de muchos cúbits, es nuestra principal tarea.

— Hoy sabemos de varias iniciativas que trabajan sobre las computadoras cuánticas. ¿Cuál de esos proyectos en su opinión son los más prometedores?

— En estos momentos se están desarrollando dos plataformas principales. El primero consiste en sostener iones en el vacío con una trampa electromagnética. El segundo, desarrollado por nuestros laboratorios, se basa en los llamados circuitos cuánticos de películas de aluminio y óxido de aluminio en un sustrato dieléctrico, enfriadas a casi el cero absoluto y que funcionan gracias al efecto Josephson.

Lo cierto es que la creación de una computadora cuántica es una tarea, sin duda, lejos de completarse. La mayoría de los resultados obtenidos hoy han sido recogidos en los llamados simuladores cuánticos, dispositivos afilados para resolver problemas matemáticos específicos y problemas en el campo de la física teórica, cuyo éxito no depende del volumen de errores.

— ¿Qué hitos alcanzados en esta área podría destacar?

— El principal problema de los cálculos cuánticos es mantener la coherencia de los cúbits. En los últimos quince años, se han logrado grandes éxitos en esta dirección: hoy, el tiempo de coherencia de los cúbits superconductores alcanza decenas de microsegundos, que ya es mucho, aunque aún no es suficiente para resolver los problemas aplicados.

En octubre de este año, Google demostró un procesador cuántico, que en realidad es un generador de números aleatorios, con la ayuda del cual en doscientos segundos se resolvió un problema que a la supercomputadora más poderosa de IBM le llevó aproximadamente dos días y medio. Creo que esto puede considerarse la primera manifestación inequívoca de la superioridad cuántica.

En Rusia, se ha creado un consorcio de cúbit superconductores que se está desarrollando con éxito en varios laboratorios cuánticos: la Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología de Moscú (MISIS), el Instituto de Física y Tecnología de Moscú (IFTM), la Universidad Técnica Bauman, el Centro Cuántico de Rusia, el Instituto de Física del Estado Sólido y el Instituto de Investigación Nuclear Dukhov.

Durante los últimos tres años, hemos realizado un trabajo tremendo; podemos decir que hemos superado 10 años de camino en esta industria. Creo que nuestro nivel ahora nos permite desarrollar nuestra propia trayectoria de investigación en esta carrera tan prometedora.