Un arma cuántica (informática) revelada por humo cuántico

Un arma cuántica (informática) revelada por humo cuántico

Un arma cuántica (informática) revelada por humo cuántico

Debo admitirlo: D-Wave está comenzando a producir resultados impresionantes. Para los no iniciados, D-Wave nos llamó la atención al afirmar en voz alta que había construido una computadora cuántica. Muchos de nosotros éramos escépticos. Con el tiempo, sin embargo, D-Wave ha respondido a sus críticos de la mejor manera posible: aportando pruebas. Ahora, los investigadores que realmente han entrado en la caja negra informan hallazgos clave que están muy cerca de disipar cualquier duda persistente.

La diferencia cuántica

Cuando realizamos cálculos en una computadora ordinaria, tenemos que manipular cada bit individualmente. Claro, la computadora puede acelerar esto a través de algún tipo de paralelización, pero todavía hay un conjunto de transistores que cambian bits individuales para cada operación. Una computadora cuántica es diferente. Primero, la información se almacena en un estado cuántico (llamado qubit), lo que significa que contiene múltiples valores simultáneamente (llamados estados de superposición). El valor de un qubit solo se determina cuando se lee el resultado de un cálculo. Por lo tanto, un registro cuántico de ocho qubits puede contener valores de 0 a 255 simultáneamente, pero la probabilidad de obtener un valor particular se modifica por las operaciones computacionales que se realizan antes de leer el registro.

Superposición cuántica

Las capas no son más que una adición para las ondas. Digamos que tenemos dos conjuntos de ondas que se superponen en el espacio y el tiempo. En cualquier momento, un valle puede alinearse con un pico, sus picos pueden alinearse o cualquier cosa intermedia. La superposición nos dice cómo sumar estas ondas para que el resultado reconstruya los patrones que observamos en la naturaleza.

Lee mas…Este, sin embargo, no es el verdadero poder de la computación cuántica. El segundo elemento mágico de un sistema cuántico se llama coherencia. Cuando un estado cuántico está en un estado de superposición, la probabilidad de que salga un uno o un cero cambia naturalmente con el tiempo, como un péndulo que se balancea de un lado a otro. En un momento dado, la posibilidad de medir un uno es la unidad, mientras que un tiempo después, la posibilidad de medir un cero es la unidad. Entre los dos, la probabilidad de sacar un 1 varía suavemente de la unidad a cero. Cuando dos qubits son coherentes, esta probabilidad cambiante ocurre en concierto para ambos qubits.

Esto significa que incluso cuando realiza una operación en un qubit, cambia a un nuevo valor, pero la relación entre los dos qubits sigue siendo predecible con el tiempo. Sin embargo, los resultados de la medición de su valor son independientes. Es decir, si medimos ambos qubits, los resultados individuales no están determinados entre sí. Solo haciendo muchas mediciones podemos ver que los dos tienen una relación mutua en la forma en que cambian con el tiempo.

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El superpoder final de la computación cuántica se llama entrelazamiento. Cuando dos qubits se enredan, sus valores se correlacionan. Dos qubits entrelazados ya no están separados. Son una sola entidad. A medida que cambia el estado de superposición de uno, el otro debe cambiar de manera complementaria. Él no tiene elección. También significa que su medición da como resultado valores interconectados: medir uno nos dice el valor del otro. Cabe señalar que no hay comunicación involucrada en este proceso, por lo que «interconectado» no debe interpretarse como una especie de fuerza impulsora o transferencia de información entre los dos qubits.

Entrelazamiento cuántico

El entrelazamiento cuántico es uno de los conceptos más mal utilizados. El enredo es complicado, raro y de corta duración. Básicamente, el entrelazamiento cuántico no es ni más ni menos que una correlación entre dos objetos cuánticos aparentemente separados. Después de descubrir esto, puede preguntar «¿por qué tanto alboroto?» La respuesta se encuentra en lo profundo de la mecánica cuántica.

Lee mas…Con estos tres poderes combinados, una computadora cuántica puede realizar una especie de paralelismo diferente a todo lo que puede manejar una computadora clásica. En cierto sentido, una computadora cuántica explora todas las soluciones posibles, incluidas las incorrectas, a la vez. Cuando obtiene el resultado, es probabilístico: la solución correcta es la más probable, pero todas las demás respuestas también tienen una probabilidad distinta de cero. Para asegurarse de elegir la solución correcta, una computadora cuántica debe ejecutarse varias veces para garantizar que el resultado más probable domine las otras respuestas.

El punto crítico es que sin todas estas propiedades (superposición, coherencia y entrelazamiento) no hay evidencia de que una computadora cuántica ofrezca alguna aceleración.

Instalación de D-Wave en una caja cuántica d

Y ese fue el desafío con la computadora D-Wave. Es una bestia bastante compleja, formada por muchos qubits acoplados en un circuito complicado. No solo no fue fácil determinar si los qubits eran realmente qubits, sino que tomó algún tiempo encontrar una manera de definir una medida de entrelazamiento en un sistema de múltiples qubits. Para sortear este problema, los investigadores recurrieron a argumentos de escala. Deje que la computadora resuelva ciertos problemas en diferentes condiciones y vea qué tan rápido llega a una solución. Luego, estos resultados se compararon con modelos informáticos de sistemas cuánticos y clásicos. El resultado fue que la escala se sintió más cuántica que clásica, buenas noticias para D-Wave. Pero estos resultados requieren que estemos seguros de que el modelo de computadora incluye toda la física relevante.

Se acaba de obtener una prueba más directa. En el último artículo, los investigadores utilizaron uno de los qubits como sonda para medir la participación del estado cuántico de los qubits circundantes. Hicieron esto por un par de qubits y por un anillo de ocho. Demostraron que los qubits exhibieron un comportamiento que solo se puede lograr si los qubits están entrelazados y son coherentes, una clara señal de comportamiento cuántico.

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Más detalladamente, el qubit de sonda puede medir la ocupación de los estados de energía de los qubits de prueba. En el comportamiento clásico, esta ocupación se regirá solo por la temperatura, y cuando se cierre la brecha entre el primer estado excitado y el estado fundamental (es decir, no se necesita energía para ir de l a otro), ambos niveles deben estar ocupados. Si los qubits están enredados, esta brecha nunca se cierra: los dos se acercan, llegan a una brecha mínima y luego se abren nuevamente. De hecho, los qubits entrelazados deben mantener valores complementarios, por lo que es imposible que tomen valores que llenen el espacio entre el estado excitado y el estado fundamental. En física, esto se llama un cruce evitado.

Los investigadores también utilizaron diferentes medidas de entrelazamiento para cuantificar qué tan entrelazados estaban los qubits. En el caso de dos qubits, obtienen aproximadamente la mitad de un estado entrelazado máximo, mientras que para el sistema de ocho qubits fue menos de la mitad. Hay sistemas qubit que se pueden enredar al máximo, pero teniendo en cuenta la escala del sistema D-Wave, ese es un resultado impresionante.

Sin embargo, no corras por tu tarjeta de crédito todavía. Aunque los qubits están entrelazados, no tanto como te gustaría. No estoy seguro de lo que esto significa para las pruebas de aceleración computacional, aparte de que las pruebas toman qubits entrelazados y máximamente coherentes como dato. Sin embargo, es enorme porque es solo cuestión de tiempo: tiempo para hacer que el sistema sea más limpio, tiempo para hacerlo más grande.

En ese sentido, debo señalar que la expansión del sistema es probablemente uno de los mayores problemas que enfrenta actualmente D-Wave. Para resolver problemas realistas, debe crear sistemas mucho más grandes. Aunque tiene sistemas de 512 qubits, la forma en que se usan los qubits significa que en realidad tienen menos de 100 qubits. El segundo problema es que el diseño de qubits de D-Wave limita los problemas computacionales que puede resolver: cada problema debe reescribirse para adaptarse al diseño de qubits. Efectivamente, esto reduce la cantidad de qubits aún más porque algunos problemas se asignan uno a uno (un qubit D-Wave representa un qubit del problema original), pero otros se asignan de manera mucho menos eficiente (por ejemplo, 10 qubits para simular un qubit), mientras que otros no se pueden mapear en absoluto. En efecto, esto significa que cada sistema debe configurarse de manera única para resolver de manera efectiva un problema específico, y no todos los problemas pueden resolverse.

El problema de la escala es algo que espero que se resuelva con bastante rapidez (en unos años, D-Wave pasó de 32 qubits a 512 qubits). Un sistema D-Wave todavía puede resolver problemas logísticos sobre una base comercial.

Exploración física X2014, DOI: 10.1103/PhysRevX.4.021041

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