Las computadoras modernas tienen un parecido con los telares de la revolución industrial: siguen instrucciones programadas para tejer tramas intricados. Con el telar el resultado se ve en una tela o alfombra. Con la computadora se lo ve en una pantalla electrónica.
Ahora un grupo de físicos y científicos informáticos financiados por Microsoft están tratando de llevar la analogía de los hilos entretejidos a lo que algunos creen que será el próximo gran salto en la computación, la llamada computación cuántica .
Si tienen razón, sus investigaciones podrían llevar al diseño de computadoras que sean mucho más poderosas que las actuales supercomputadoras y podrían resolver problemas en campos tan diversos como la química, la ciencia de los materiales, la inteligencia artificial y el descifrado de códigos.
Se reunieron aquí este fin de semana para explorar un enfoque de la computación cuántica basado en el "trenzado" de partículas exóticas conocidas como aniones -lo que los físicos describen como "cuasi partículas", que existen sólo en dos dimensiones, en vez de tres- para formar los ladrillos para construir una supercomputadora que explote las propiedades físicas extrañas de partículas subatómicas.
¿Sabías que en la Argentina también se investiga la computación cuántica desde hace más de una década?
La computación convencional se basa en un bit que puede ser 1 o 0, representando un sólo valor en una computación. Pero la computación cuántica se basa en qubits , que representan simultáneamente valores tanto de cero como de uno. Si los ubica en un estado "enredado" (entangled es el término técnico en inglés) -separados físicamente pero actuando como si estuvieran conectados- con muchos otros qubits, pueden representar un número enorme de valores simultáneamente.
Y las limitaciones existentes del poder computacional desaparecen.
En el enfoque que desarrolla Microsoft, que se describe como "computación cuántica topológica", controlar con precisión los movimientos de pares de partículas subatómicas al enroscarse unas en otras permitiría manipular bits cuánticos enredados. Si bien el proceso de trenzado de partículas se da a escalas subatómicas, evoca los movimientos del telar superponiendo hilos para crear una trama.
La computación convencional se basa en un bit que puede ser 1 o 0, pero la computación cuántica se basa en qubits, que representan de forma simultánea tanto un estado como el otro
Al entretejer las partículas las computadoras cuánticas topológicas generarían hilos imaginarios cuyos nudos y giros crearían un sistema computacional poderoso. Lo que es más importante, la matemática de sus movimientos corregiría errores que hasta ahora se han demostrado el desafío más apabullante que enfrentan los diseñadores de computadoras cuánticas.
Propuesta por primera vez por el físico Richard Feynman en 1982, la computación cuántica ha sido de interés principalmente para los académicos, la Agencia Nacional de Seguridad y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa del Pentágono .
Pero en los últimos años, la computación cuántica ha llamado la atención del mundo corporativo. Microsoft organizó un esfuerzo de investigación de computación cuántica significativo en 2006, creando el grupo de investigación Estación Q en la Universidad de California, en Santa Bárbara. Desde entonces, IBM, Northrop Grumman y BBN Technologies también han iniciado investigaciones de computación cuántica centradas en esfuerzos anteriores por crear qubits basados en medir el giro de un electrón o la polarización de un fotón.
Si bien científicos han creado qubits individuales, son extremadamente frágiles, y crear las matrices de cientos de miles de circuitos necesarios para construir una computador cuántica útil se ha demostrado muy difícil.
D-Wave Systems , una compañía canadiense que ha tenido apoyo de NASA, Google y Lockheed Martin, sostuvo que pudo acelerar la solución de algunos problemas informáticos basado en lo que describe como la "primera computadora cuántica comercial" .
Pero un grupo independiente de científicos dijeron en la revista Science que hasta ahora no encontraron evidencias del tipo de aceleración que se espera de una computadora cuántica en pruebas de una computadora de D-Wave de 503 qubits. La compañía dijo a través de un vocero que el manejo del tipo de problemas que evaluaron los científicos no se beneficiaría con el uso del diseño de D-Wave.
El enfoque topológico de Microsoft es percibido como el de más alto riesgo por los científicos, porque no se ha demostrado la existencia del tipo de partícula anión exótica necesaria para generar qubits.
Eso puede cambiar pronto. La compañía ha estado invirtiendo mucho y contribuyó a 10 de los aproximadamente 20 grupos de investigación académicos que exploran una clase de partículas subatómicas sobre la que se han hecho hipótesis desde hace mucho, conocida como fermiones Majorana. Además de ser un avance científico, demostrar la existencia de los Majorana significaría que sería probable poder utilizarlos para formar qubits para esta nueva forma de computación cuántica.
Microsoft apoyó investigaciones encabezadas por el físico Leo Kouwenhoven en el Instituto Kavli de Nano Ciencia de la Universidad tecnológica de Delft en Holanda, que en 2012 produjeron las evidencias más fuertes de que las partículas, predichas desde hace mucho, existen efectivamente.
"Realmente han hecho algo muy especial" dijo Charles M. Marcus, físico de la Universidad de Copenhague. "Ayuda mucho a nuestra investigación y no me refiero a dólares, sino a la comunidad".
Su laboratorio ahora está generando nano-cables a escala molecular que funcionarán como vías de tren unidimensionales, haciendo posible controlar el movimiento de los fermiones unos en torno de otros. Tienen esperanzas de poder crear redes de nano-cables para mover los fermiones como trenes en una playa de maniobras ferroviaria.
Conjuntos de estas partículas que pueden ser controladas con precisión dentro de materiales exóticos a temperaturas extremadamente bajas pueden usarse para construir qubits en el modelo de computación topológico propuesto por el matemático Michael Freedman y los físicos Chetan Nayak y Sandar Das Sarma en 2005. Si este tipo de qubit puede confirmarse, tendrá mucho más alta resistencia a los errores que otros tipos de qubits que se forman a partir de electrones, fotones y núcleos atómicos.
Microsoft comenzó a apoyar este esfuerzo luego de que Freedman, que ganó tanto la Medalla Fields como el título de Fellow Mac Arthur y es ampliamente conocido por su trabajo en el campo matemático de la topología, tomó contacto con Craig Mundie, uno de los más altos ejecutivos de Microsoft y lo convenció de que había un nuevo camino a la computación cuántica basado en ideas de topología propuestas originalmente en 1997 por el físico Alexei Kitaev.
Mundie dijo que la idea le pareció el tipo de apuesta que debía hacer la compañía.
"Es difícil encontrar cosas que uno pueda decir que sabe que es un problema que va llevar 20 años resolver y que vale la pena hacerlo", dijo. "Pero esto me pareció que está en esa categoría".
Por cierto, los investigadores se apresuran a reconocer que aún ni siquiera han hecho un prototipo que funcione del elemento básico de su sistema. Pero Microsoft está explorando cómo podría ser un equipo experimental para el caso de que tengan éxito los esfuerzos por crear qubits.
Burton Smith, un conocido diseñador de súper computadoras que llegó a Microsoft de Cray en 2005 ha pasado a encabezar un nuevo grupo de diseño de hardware cuántico. A su vez, contrató a Douglas M. Carmean, un investigador de Intel que encabezó el diseño de varios de los microprocesadores de la firma, para que se sume al esfuerzo.
Durante largo tiempo muchos pensaron que las computadoras cuánticas solo serian útiles para manejar números inmensos, lo que le serviría a quienes descifran códigos para la NSA, y a pocos más. Pero han comenzado a aparecer nuevos algoritmos para máquinas cuánticas en áreas tan variadas como la búsqueda de grandes cantidades de datos o el modelado de drogas. Ahora muchos científicos creen que las computadoras cuánticas podrían resolver nuevos tipos de problemas que aún no han sido definidos.
Por cierto cuando Mundie le preguntó a Freedman qué podría hacer con una computadora cuántica que funcione, respondió que lo primero que le ordenaría producir es un modelo de una versión mejorada de la propia computadora cuántica.
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