Las computadoras cuánticas están a la vuelta de la esquina, dice la profesora Dorit Aharonov, de la Escuela de Ingeniería y Ciencias de la Computación de la Universidad Hebrea. Probablemente ya haya oído hablar de ellos antes: las empresas más grandes del mundo los ven como un futuro brillante para sus campos de actividad.
En unos años, podrán resolver problemas que los ordenadores clásicos no pueden resolver hoy en día. A más largo plazo, probablemente permitirán avances extraordinarios en varias áreas de nuestras vidas. Ayudarán a descubrir medicamentos, predecir el clima, comprender cómo los humanos destruyen el clima y qué se puede hacer al respecto, e incluso construirnos la cartera de inversión óptima. Esto es solo la punta del iceberg.
En primer lugar, hay que poner la casa en orden.
Entonces, ¿dónde está el cuello de botella que actualmente impide estas aplicaciones? El principal problema es que las computadoras cuánticas no son perfectas. Ellos cometen errores. Y estos errores se suman.
“Es un poco como el desorden en casa”, explica Aharonov. “Si dejamos que el desorden alcance un cierto umbral, podemos limpiar constantemente lo que ensuciamos y lidiar con eso. Si dejamos que pase cierto umbral, la situación será insoportable. Y en términos de una computadora cuántica, si le permitimos cometer una cierta cantidad de errores, podemos corregirlos y obtener cálculos valiosos de ella. Si permitimos que los errores superen un cierto umbral sin corregirlos, obtendremos un resultado sin valor”.
Esta frase, que puede sonar casual, fue uno de los avances de Aharonov. Se llama el “teorema del umbral”, y en él definió, junto con su director de tesis doctoral, el Prof. Michael Ben Or, cuál es el máximo margen de error que se puede alcanzar, antes de que la situación se vuelva insoportable. Este teorema fue muy significativo porque definió que los errores no son una parte inherente de la computación cuántica, y no significarán que tal computadora nunca se pueda hacer. Existen, pero es posible, al parecer, tratar con ellos.
Desde entonces, Aharonov y otros han propuesto todo tipo de métodos para corregir los errores, métodos que son cada vez mejores, pero el teorema del umbral sigue en pie. La revista Nature la eligió en 2005 como una de las cuatro “teóricas jóvenes más destacadas en su campo”.
Aharonov también es uno de los fundadores de la empresa Kadama, que trabaja para resolver el problema de los errores que impiden que las computadoras cuánticas existan en la actualidad. Será una de las principales oradoras de la conferencia Biomed 2023, que se realizará la próxima semana en Tel Aviv.
El escurridizo gato que vivió y murió al mismo tiempo
Antes de explicar cómo Aharonov corrige los errores y cómo esta corrección permite que existan las computadoras cuánticas, explicaremos brevemente qué es una computadora cuántica, por qué se espera que desempeñe un papel tan importante en nuestras vidas y por qué es vulnerable a errores en el primer lugar.
La teoría cuántica existe desde la década de 1920, pero la idea de que los fenómenos cuánticos podrían usarse para construir supercomputadoras no surgió hasta la década de 1980.
En el centro de la teoría cuántica se encuentra la idea de superposición, es decir, la posibilidad de dos estados paralelos de existencia. Quizás ya conozcas al gato de Schrödinger, un gato teórico que está encerrado en una caja y no sabemos si está vivo o muerto. Aparentemente, tan pronto como abramos la caja sabremos cómo es, pero este no es realmente el caso en la teoría de los quanats, dice Aharonov.
“Esto no es ni ignorancia ni probabilidad. Un qubit, una partícula que contiene información cuántica está realmente en ambos estados al mismo tiempo”, explica, pero si tratamos de medirlo, la superposición desaparece y colapsa en un solo estado.
Aun así, la superposición puede no ser tan elusiva como parece. Resulta que incluso podemos controlarlo y hacer que el qubit esté, por ejemplo, en el estado 70%-30%, y el qubit al lado esté en el estado 80%-20%. Básicamente tenemos una unidad de cálculo, que en lugar de contener información normal de 0 o 1, contiene un montón de posibilidades, y no solo en centésimas sino también en números negativos y números complejos. “Cuando cada qubit tiene varias opciones, hay un aumento exponencial en la cantidad de estados que puede representar el sistema. Hoy, después del coronavirus, todos saben cómo se ve y se siente el crecimiento exponencial”, dice Aharonov. Los sistemas cuánticos lo suficientemente grandes podrán representar un número de estados mayor que el número de todas las partículas del universo, un número inimaginable de estados.
Trastornos cuánticos, del movimiento y de la atención: la búsqueda de un método que perfeccione el pensamiento
Uno de los pasatiempos sorprendentes de Aharonov es el kung fu. Para ella, este arte marcial encaja en un estilo de vida que también incluye yoga y meditación.
“Desde mi punto de vista, agrega otra dimensión a la vida y otra dimensión a la investigación y el trabajo, y da la capacidad de concentrarse y trabajar más placenteramente y, a veces, también explosiones de creatividad. Participar en algo que no es ciencia me permite distanciarme y obtener una perspectiva que me recuerda lo que quería hacer”.
¿Existe una conexión entre el kung fu y la cuántica?
“Una conexión asociativa. Por ejemplo, la teoría cuántica requiere una cierta renuncia a la pretensión de comprenderlo todo y, por otro lado, una comprensión de que las cosas son más complejas de lo que parecen”.
Aharonov también es socia en el proyecto para introducir el método Feldenkrais en los estudios escolares, y es socia en la investigación científica para probar los efectos del método. “El aprendizaje con la ayuda del movimiento y prestando atención al movimiento, como el que se hace en las clases de Feldenkrais, es muy efectivo para niños con dificultades de atención y concentración y niños con autismo. Combinamos los ejercicios de Feldenkrais con el tema que se está estudiando y vemos que prestar atención al movimiento permite que tanto el alumno como el profesor estén en un modo de aprendizaje más cualitativo y preciso”.
“El proyecto comenzó como una respuesta que tuve en una clase de Feldenkrais, según la cual, como humanidad, hemos aprendido a lo largo de los años a perfeccionar nuestro movimiento y controlarlo, pero somos menos buenos para perfeccionar nuestra capacidad de pensar”.
“Por ejemplo, dos supervisores míos para mi doctorado, cada uno de ellos piensa de manera diferente. Estaría feliz de presionar un botón para experimentar con la forma de pensar de cada uno de ellos. Así surgió la idea de usar métodos para perfeccionar el movimiento para perfeccionar las habilidades de aprendizaje y pensamiento”.
“Si el algoritmo está diseñado correctamente, las diversas opciones del sistema pueden comunicarse entre sí, como las olas que se encuentran en el mar pueden anularse o amplificarse entre sí”. El resultado puede ser una mejora del tiempo de cálculo del sistema, de forma exponencial.
Aharonov dice que en 1994 el profesor Peter Shore del MIT demostró cómo, en teoría, un sistema de muchos qubits que interactúan podría resolver en unas pocas horas o incluso minutos problemas matemáticos que las computadoras ordinarias tardarían más que la edad del universo en resolver. Específicamente, Shore demostró cómo se puede usar esta interacción para resolver problemas complejos de factorización.
“A partir de ese momento, el campo comenzó a desarrollarse en dos vectores”, dice Aharonov. Un vector son los científicos que identifican problemas complejos y muestran cómo, en principio, los algoritmos que se ejecutan en un sistema cuántico deberían poder resolverlos. Así se demostró, teóricamente, cómo se pueden descifrar casi todos los tipos de encriptación usando una computadora cuántica.
Un segundo grupo de científicos está tratando de desarrollar la computadora cuántica real. “Al principio fue la locura de unas pocas personas”, recuerda Aharonov. “Hoy en día, todas las empresas más grandes construyen computadoras como esta: Google, Amazon, IBM. Compiten entre sí para ver quién construirá la primera computadora útil”.
¿Qué tan lejos estamos de hoy?
“Hay computadoras que operan desde unas pocas decenas de qubits hasta unos cientos, pero no saben cómo resolver problemas que una computadora clásica no puede resolver. El objetivo es aumentar estas computadoras, sin perder la calidad del cálculo”.
El gran problema, el importante cuello de botella del campo, es que a medida que crece un sistema cuántico, también tiene más errores. “Hoy no sabemos cómo poner el qubit exactamente en el 70% 30%”, dice Aharonov. “Tal vez será, digamos, 71%-29%, y no lo sabremos”.
“Básicamente hay dos tipos de errores. Por ejemplo, hay un error de rotación excesiva del qubit. Lo giramos a la posición 71 en lugar de a la 70. Si reconocemos que esto es lo que hicimos, entonces podemos girarlo hacia atrás. Así que lo primero que hicimos fue desarrollar una herramienta para identificar estos errores”.
La detección de errores suena un poco a “medición” y dijimos que la medición provoca el colapso del qubit para que ya no pueda representar la información completa.
“Verdadero. Ese es el desafío de la medición. Pero los investigadores, incluido el mismo Peter Shore que mencionamos, inventaron correcciones de errores que permiten medir solo una parte de la información, es decir, solo cuánto erramos en la rotación, sin medir la superposición en sí y sin hacer que se colapse”.
“Otra dirección es ejecutar primero un algoritmo cuyo resultado previsto se conoce y ver cómo la respuesta que recibimos se desvía de lo esperado. Por ejemplo, si ingresamos ‘rojo’ y recibimos ‘naranja’, sabemos que el sistema siempre aclara los colores y lo tomaremos en cuenta al descifrar nuestros próximos resultados”.
Otro tipo de error se obtiene cuando los qubits son “medidos” por error, no por humanos. “Supongamos que hubiera un qubit que no sabíamos que estaba en el sistema e interactuó con un qubit que es una parte oficial del sistema y lo colapsa, o entra un fotón y lo mide. Tales eventos aumentan la incertidumbre, la entropía en el sistema aún más, y una vez que aumenta demasiado, ya no es posible arreglarlo con los métodos que describimos”.
“En realidad, queremos evitar que el entorno físico mida nuestra información antes de que podamos medirla. Quien mide ‘primero’ cambia el sistema de modo que es imposible extraer la respuesta correcta de él. La forma en que protegemos la información es “difundirla” en muchos qubits cuánticos, luego el entorno puede medir solo una parte de la información y esta medición parcial no bloquea el sistema”.
“En la conferencia, presentaré los resultados de un nuevo método que desarrollamos para abordar estos errores, y también los resultados experimentales de ejecutar nuestro método para reducir la cantidad de ruido en varios algoritmos cuánticos. Vamos a ejecutar este método en colaboración con una compañía farmacéutica líder”.
Entonces, ¿cuándo tendremos computadoras cuánticas?
“En la próxima década tenemos estimaciones de que ya tendremos las grandes computadoras que resolverán los problemas complejos que las computadoras clásicas no pueden resolver”.
¿Dónde encuentra la persona corriente la teoría cuántica en su vida actual?
“Sin cuantos, nada existe aquí. La naturaleza no necesita que la entendamos para existir, y los fenómenos cuánticos son parte de todo lo que sucede en ella. Digamos que haces brillar una luz blanca sobre algo y refleja solo azul o rojo. Este es un fenómeno cuántico. Incluso una computadora clásica funciona con efectos cuánticos. Esto es lo que le permite almacenar la información, entonces estos son componentes cuánticos con lógica clásica. Las bombas atómicas también se basan en la física cuántica”.
Los láseres, las máquinas de resonancia magnética y los relojes atómicos son otros ejemplos de tecnologías cuyo desarrollo probablemente no podría haber ocurrido sin una comprensión de la física cuántica.
“Los fenómenos cuánticos son fenómenos no intuitivos. Einstein, por ejemplo, trató de encontrar todas las formas posibles de deshacerse de ellos. No le gustaba la incertidumbre en ellos, pero esta física funciona. 90 años de experimentos han demostrado que la teoría cuántica es necesaria para describir la naturaleza de la mejor manera posible”.
Toda empresa necesita una persona cuántica
Según Aharonov, grandes empresas en varios campos trabajan en estrecha colaboración con empresas que desarrollan computadoras cuánticas para desarrollar conjuntamente los algoritmos que serán adecuados para resolver los problemas que les son relevantes. Esto recuerda la forma en que trabajaban en los primeros días de la computadora. Los investigadores no esperaron a que la computadora estuviera lista, sino que trabajaron junto con los desarrolladores para definir el algoritmo que sería efectivo para resolver los problemas que les interesaban.
Del mismo modo, en el campo de la computadora cuántica, las grandes empresas trabajan con los equipos que construyen la computadora para decidir, por ejemplo, qué errores se “permitirá” que la computadora cometa y qué tipos de errores harán que la salida de la computadora no tenga valor.
“Las principales compañías farmacéuticas, así como los principales bancos y la mayoría de las empresas gigantes en todos los campos, emplean a personas que entienden las computadoras cuánticas”, dice Aharonov. “Las empresas que esperarán hasta que las computadoras cuánticas estén listas y solo entonces pensarán en qué hacer con ellas, pueden perder el liderazgo en su campo de actividad”.
Fuente: TimeNews
