Problema de bus de computadoras cuánticas Las computadoras convencionales no pueden resolver

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Cincuenta y tantos átomos zumban a través de un bolsillo de espacio vacío. Líneas invisibles de fuerza – magnetismo cuántico – encadenarlas. Jiggle uno, los otros se mueven con simpatía. Toque otro como una campana y los otros captarán la canción en un tono diferente o a una velocidad más lenta. Cada acción en un átomo tiene un impacto en cada átomo en el 50. Es un mundo pequeño de complejidad y desarrollo.

Hay límites en nuestro mundo más amplio que hacen que tales sacudidas sean difíciles de predecir. Por ejemplo, nada se mueve más rápido que la velocidad de la luz y ningún punto congelado se pone más frío que el cero absoluto. Aquí hay otro límite: nuestras computadoras clásicas y clásicas no pueden predecir lo que sucederá en ese pequeño mundo de 50 átomos que interactúan.

El problema no es que nuestras computadoras no sean lo suficientemente grandes; si el número fuera 20 átomos, podría ejecutar la simulación en su computadora portátil. Pero en algún punto del camino, a medida que el pequeño mundo se hincha para incluir 50 átomos, el problema de predecir cómo se comportarán demasiado difícil para su computadora portátil, o cualquier computadora normal, para resolver. Incluso la mayor supercomputadora convencional que la humanidad construirá alguna vez se perderá para siempre en un laberinto de cálculos: cualquier respuesta que eventualmente escupiera podría no llegar hasta mucho después de la muerte por calor del universo. [The 18 Biggest Unsolved Mysteries in Physics]

Y, sin embargo, el problema acaba de resolverse.

En dos ocasiones, en realidad.

Dos laboratorios, uno en Harvard y el otro en la Universidad de Maryland (UMD), construyeron máquinas que pueden simular el magnetismo cuántico a esta escala.

Sus resultados, publicados como documentos gemelos el 29 de noviembre en la revista Nature, demuestran las capacidades de dos computadoras cuánticas especiales que van mucho más allá de lo que cualquier computadora convencional o cuántica previamente construida ha podido lograr.

Herramientas para la tarea a mano

Refiriéndose a la máquina en su laboratorio, Mikhail Lukin, uno de los líderes del equipo de Harvard, le dijo a Live Science que "básicamente es un simulador cuántico".

Eso significa que la computadora está construida para una tarea específica: estudiar la evolución de los sistemas cuánticos. No se romperán los códigos de encriptación en los bancos del mundo, se buscará la montaña más alta en una cadena montañosa o se llevarán a cabo otras tareas para las cuales las computadoras cuánticas generales son adecuadas.

En cambio, las máquinas de Harvard y UMD son realmente buenas para resolver un tipo particular de problema: si un sistema cuántico complejo comienza en un estado, ¿cómo se moverá y evolucionará?

Es una pregunta limitada, pero al resolverla, los investigadores están desarrollando tecnologías y haciendo nuevos descubrimientos en física que permitirán computadoras aún más complicadas, lo que permitirá realizar tareas aún más impresionantes.

Dos máquinas diferentes

Los simuladores cuánticos de Maryland y Harvard son similares en muchos aspectos. Ellos resuelven los mismos tipos de problemas. Usan átomos individuales como qubits: las unidades fundamentales de las computadoras cuánticas. Implican costosos láseres y cámaras de vacío. Pero no son lo mismo.

En Maryland, los qubits son iones (átomos con carga eléctrica) del itterbio de metal blanco plateado. Los investigadores atraparon a 53 de ellos en su lugar, utilizando pequeños electrodos que crearon campos magnéticos en un vacío que estaba mucho más vacío incluso que el espacio exterior. Luego, los golpearon con láser de una manera que los hizo enfriar mucho, hasta que estuvieron casi inmóviles. [Elementary, My Dear: 8 Elements You Never Heard Of]

Los qubits de UMD almacenaron su información en el interior del átomo como "estados de espín": características especiales de mecánica cuántica de partículas pequeñas.

"Lo que pasa con los bits cuánticos es que contienen toda su información siempre que estén aislados", dijo Christopher Monroe, que dirigió el equipo de Maryland, a Live Science.

Pero si los investigadores permiten que esos qubits tiemblen demasiado, o choquen contra las partículas de aire o incluso midan el estado de espín del qubit, se perderán todos esos datos. (Bajo las reglas de la mente-flexión que gobiernan el mundo cuántico, la medición o incluso la observación de una partícula subatómica lo altera.)

Esos campos magnéticos anclan los átomos en su lugar sin tocarlos, lo que les permite permanecer prácticamente inalterados.

Una vez que Monroe y su equipo tenían los iones donde los querían, los empujaron, nuevamente usando rayos láser. Sin embargo, ese empuje tuvo un efecto peculiar.

"Aplicamos una fuerza al átomo que empuja al átomo [different ways]dependiendo del estado de rotación del qubit".

Pero debido a que el estado del qubit es desconocido, las extrañas leyes de la mecánica cuántica hacen que el átomo se mueva en ambas direcciones al mismo tiempo. La pequeña partícula se mancha a través del espacio, convirtiéndose en un imán cuántico bastante grande que interactúa con todos sus hermanos en la trampa del electrodo.

Una vez que todos los iones se han propagado y transformado de esta manera extraña, interactúan entre sí muy rápidamente. Los investigadores observan los resultados y la simulación es completa.

El Simulador de Harvard

El simulador de Harvard no funciona con iones o electrodos.

"Lo que tenemos es cerca de 100 rayos láser individuales, fuertemente enfocados, enfocados en una celda de vacío", dijo Lukin. "Dentro de la celda hay un vapor muy delgado de átomos de rubidio".

Como si fueran finas pinzas ópticas, esos láseres arrancan átomos individuales del vapor y los atrapan en su lugar. Y permiten que el equipo de Harvard programe finamente su dispositivo, organizando los átomos en exactamente la configuración que desean probar, antes de comenzar su simulación. [Beyond Higgs: 5 Elusive Particles That May Lurk in the Universe]

Una vez que todos los átomos se configuran en el espacio, y todo el sistema se enfría a cero casi absoluto, la máquina vuelve a golpear los átomos con láser. Sin embargo, estos láseres no mueven ni enfrían los átomos. En cambio, hacen que se exciten y entren a algo llamado estado de Rydberg.

En un estado de Rydberg, los átomos no se manchan entre dos puntos. En cambio, se hinchan.

Cada átomo tiene electrones orbitando a su alrededor, pero generalmente esos electrones permanecen confinados en órbitas estrechas. En un estado de Rydberg, los electrones oscilan cada vez más y más, más y más lejos del núcleo de los átomos, hasta que se cruzan con los otros átomos en la simulación de la computadora. Todos estos átomos salvajemente emocionados de repente se encuentran compartiendo el mismo espacio y, al igual que en la máquina de Maryland, interactúan entre sí como imanes cuánticos que los investigadores pueden observar.

Qué significa todo esto y hacia dónde va

Un simulador cuántico de 50 qubits es interesante, pero aún no es increíblemente útil. Monroe dijo que el siguiente paso para su laboratorio es ir más grande, crear conjuntos de simuladores cuánticos de más de 50 qubits conectados en red para simular eventos cuánticos aún más complejos.

También dijo que los qubits atómicos de su equipo y de Harvard ofrecen una hoja de ruta para otros grupos que intentan construir máquinas cuánticas.

"Lo mejor de los qubits atómicos es que son perfectos", dijo.

A diferencia de qubits más grandes y más grandes, de "estado sólido", impresos en chips en laboratorios de Google e IBM, un qubit atómico conservará su información mientras no se altere.

El desafío para los investigadores como Monroe y Lukin es construir láseres y cámaras de vacío que sean lo suficientemente precisas para que no perturben sus crecientes conjuntos de qubits.

Publicado originalmente en Live Science.

        

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