Nuevo procesador cuántico está hecho de luz

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Los expertos aún no tienen claro qué material hará la mejor computadora cuántica, pero un candidato oscuro está ganando terreno: la luz infrarroja.

A principios de este mes, la startup de computación cuántica Xanadu, con sede en Toronto, Canadá, colocó dos de sus llamadas computadoras cuánticas fotónicas en la nube, los primeros dispositivos disponibles comercialmente de su tipo.

Cada una de las computadoras de Xanadu consiste en un chip de silicio del tamaño de una miniatura, con 8 y 12 rayos láser infrarrojos brillando sobre ellos, respectivamente.

Para ejecutar un algoritmo, la computadora manipula cuidadosamente los rayos para reflejar, combinar e interactuar de manera controlada.

Puede pensar en el chip como una especie de ábaco, donde el chip resuelve problemas matemáticos manipulando rayos láser en lugar de cuentas de madera.

Para hacer aritmética en un ábaco, mueva las cuentas de acuerdo con un conjunto de reglas y cuente el número resultante de cuentas en cada fila para obtener la respuesta.

De manera similar, en la computadora cuántica de Xanadu, interactúa con cada haz de luz y encuentra la respuesta a su problema contando el número resultante de fotones en cada haz.

Pero a diferencia de las cuentas, estos fotones siguen las reglas de la mecánica cuántica, lo que permite una matemática mucho más compleja que la suma y la resta.

Los expertos en computación cuántica piensan que estos dispositivos deberían poder resolver ciertos problemas matemáticos relevantes para el negocio más rápido que las computadoras convencionales, aunque todavía tienen que demostrar de manera concluyente estas afirmaciones.

Actualmente, el material del que está hecha una computadora cuántica predetermina para qué es buena esa máquina.

Así como es más fácil construir estructuras cuadradas con Legos y manchas amorfas con Play-Doh, una computadora cuántica hecha de luz puede resolver ciertos problemas matemáticos con mayor facilidad en comparación con una computadora cuántica hecha de circuitos superconductores (como la de Google) y viceversa.

“El conjunto de problemas que puede resolver en nuestra nube es literalmente diferente al de cualquier otra persona”, dijo Christian Weedbrook, director ejecutivo de Xanadu, físico de formación.

Los investigadores que trabajan en Xanadu han identificado varios casos de uso en los negocios y la química en los que las computadoras cuánticas podrían ofrecer más capacidad que la computación convencional.

Por ejemplo, sus dispositivos deberían poder resolver instancias actualmente intratables del llamado problema del subgrafo más denso, donde el usuario está tratando de identificar qué nodo en una red tiene más conexiones.

“Puedes pensar en ello como encontrar al mayor influenciador en una red social“, dijo Weedbrook.

Dejando a un lado las selfies y los hashtags, el problema del subgráfico más denso también tiene aplicaciones en biología y medicina, donde, por ejemplo, los investigadores están tratando de comprender cómo interactúan las complicadas redes de proteínas en el cuerpo humano.

Weedbrook dijo que Xanadu tiene como objetivo demostrar la ventaja cuántica de sus dispositivos en una aplicación empresarial el próximo año.

Cualquiera puede solicitar tiempo en las computadoras, aunque Xanadu está dando prioridad a los investigadores en laboratorios gubernamentales, corporaciones multinacionales e instituciones multiusuario.

Más de 250 personas ya han solicitado usar los dispositivos de Xanadu, según Weedbrook.

Una vez aprobado, el usuario recibe un token digital para conectarse a la computadora a través de la plataforma de software de Xanadu, Strawberry Fields, donde puede ejecutar código basado en Python en el dispositivo cuántico de forma remota.

El diseño de hardware de Xanadu ofrece otros beneficios.

Por ejemplo, es relativamente sencillo conectar las computadoras de Xanadu usando fibra óptica convencional porque usan luz infrarroja, al igual que la infraestructura de telecomunicaciones existente.

Esto podría simplificar los esquemas cuánticos de Internet, propuestos durante al menos una década a partir de ahora, para vincular múltiples dispositivos cuánticos en todo el mundo.

Además, las computadoras cuánticas fotónicas deberían poder funcionar teóricamente a temperatura ambiente, aunque actualmente Xanadu todavía tiene que enfriar criogénicamente su contador de fotones.

Sin embargo, debido a las limitaciones del hardware, la máquina de Xanadu está equipada actualmente para ejecutar solo un conjunto específico de algoritmos, dijo la física Giulia Ferrini de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia, quien investiga algoritmos para computadoras cuánticas fotónicas y no está afiliada a Xanadu.

El objetivo final de la industria de la computación cuántica es construir una computadora cuántica universal, que puede resolver una amplia clase de problemas.

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La computadora de Xanadu “es un primer paso“, dijo.

Debido a que utiliza luz, la computadora de Xanadu explota las propiedades cuánticas de los fotones que las distinguen de otras computadoras cuánticas disponibles comercialmente.

Por ejemplo, la computadora explota el principio de incertidumbre de Heisenberg, que dice que la naturaleza es inherentemente imprecisa, de una manera única.

Si mide la velocidad de un fotón con precisión, sacrifica la precisión al conocer su ubicación, por ejemplo.

Para realizar sus cálculos, un dispositivo Xanadu controla qué propiedades de la luz son inciertas, una técnica conocida como “exprimir”.

Además, la rareza de la mecánica cuántica también es evidente cuando la computadora cuenta los fotones en cada rayo láser.

Antes de que la computadora cuente los fotones, el número de partículas en el haz no está definido; la luz en realidad contiene una superposición de 1, 10 y 20 fotones, por ejemplo.

Al igual que el gato de Schrödinger, que solo está vivo o muerto cuando lo miras, la cantidad de fotones en el haz solo se establece cuando los cuentas.

El diseño de Xanadu contrasta con el de todas las demás computadoras cuánticas disponibles comercialmente, que se basan en la denominada arquitectura qubit, o bit cuántico.

A diferencia de un bit clásico, que representa información como 1 o 0, un bit cuántico es una superposición de 1 y 0, como una moneda lanzada al aire no tiene cara ni cruz, sino alguna probabilidad de ambas.

Pero la computadora de Xanadu no usa ni 1 ni 0 en absoluto.

En cambio, utiliza propiedades de la luz (la intensidad y el momento en que se emite un rayo por primera vez) que pueden adquirir cualquier valor.

Para mantener la coherencia con la jerga del resto de la industria, Xanadu se refiere a cada haz de luz en su chip como un qubit, pero técnicamente no son qubits en absoluto.

En la jerga de la computación cuántica, cada haz de luz es algo llamado “qumode”, abreviatura de “modo cuántico”, donde “modo” es una palabra elegante para la luz cuyas propiedades onduladas exhiben patrones específicos.

Este diseño se conoce como arquitectura de variable continua.

Los dispositivos de Xanadu marcan el debut de una nueva forma de hacer matemáticas utilizando la mecánica cuántica.

“Creo que esta computadora cuántica despertará un mayor interés en la comunidad de tecnología cuántica más amplia hacia estas arquitecturas de variable continua”, dijo Ferrini.

Los dispositivos de Xanadu pueden dar legitimidad a otros investigadores que están tratando de construir computadoras cuánticas de variable continua utilizando radiación de microondas en lugar de luz infrarroja.

Xanadu está buscando a sus clientes para averiguar qué papel pueden desempeñar estas computadoras en el futuro.

Los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, por ejemplo, han comprado acceso a los dispositivos de Xanadu para diseñar la próxima generación de supercomputadoras.

Creen que las futuras supercomputadoras podrían contener un chip de computación cuántica, una “QPU” o unidad de procesamiento cuántico, que se dedica a realizar tareas especializadas rápidamente, dijo el científico de computación cuántica de Oak Ridge, Travis Humble.

En sus esfuerzos por diseñar una QPU, Oak Ridge también ha comprado acceso a otras computadoras cuánticas comerciales, como dispositivos fabricados por IBM, D-Wave, Rigetti, “tantos como podamos tener en nuestras manos“, dijo Humble.

Sin duda, los nuevos dispositivos de Xanadu siguen siendo una parte importante de la adolescencia de la computación cuántica, una era que los expertos llaman NISQ, para la computación cuántica ruidosa de escala intermedia.

Las máquinas NISQ funcionan de manera limitada, y todavía no está claro cómo se integrarán las máquinas en la tecnología existente y para qué servirán.

“Es como cuando tienes un crecimiento acelerado cuando eres joven, te quedas sin ropa y te vuelves incómodo“, dijo Humble.

“La computación cuántica está en su siguiente nivel de desarrollo“.

Fuente: Gizmodo