La carrera para construir una pila cuántica completamente funcional

Las computadoras cuánticas explotan la naturaleza aparentemente extraña pero comprobada del universo que hasta que una partícula interactúa con otra, su posición, velocidad, color, giro y otras propiedades cuánticas coexisten simultáneamente como una distribución de probabilidad sobre todas las posibilidades en un estado conocido como superposición. Las computadoras cuánticas usan partículas aisladas como sus bloques de construcción más básicos, confiando en cualquiera de estas propiedades cuánticas para representar el estado de un bit cuántico (o “qubit”). Entonces, mientras que los bits de computadora clásicos siempre existen en un estado mutuamente excluyente de 0 (baja energía) o 1 (alta energía), los qubits en superposición coexisten simultáneamente en ambos estados como 0 y 1.

Las cosas se ponen interesantes a mayor escala, ya que los sistemas de control de calidad son capaces de aislar un grupo de partículas entrelazadas, que comparten un solo estado de superposición. Mientras que un solo qubit coexiste en dos estados, un conjunto de ocho qubits entrelazados (o “8Q”), por ejemplo, ocupa simultáneamente los 2^8 (o 256) estados posibles, procesando efectivamente todos estos estados en paralelo. Se necesitaría 57Q (que representa 2^57 estados paralelos) para que un control de calidad supere incluso a la supercomputadora clásica más potente del mundo. Una computadora 64Q la superaría por 100x (logrando claramente una ventaja cuántica) y una computadora 128Q la superaría quintillones de veces.

En la carrera por desarrollar estas computadoras, la naturaleza ha insertado dos obstáculos importantes. En primer lugar, las partículas cuánticas aisladas son muy inestables, por lo que los circuitos cuánticos deben ejecutarse en períodos de coherencia extremadamente cortos. En segundo lugar, medir el nivel de energía de salida de los qubits subatómicos requiere niveles extremos de precisión que las pequeñas desviaciones comúnmente frustran. Basadas en investigaciones universitarias, empresas líderes de control de calidad como IBM, Google, Honeywell y Rigetti desarrollan ingeniería cuántica y métodos de corrección de errores para superar estos desafíos a medida que escalan la cantidad de qubits que pueden procesar.

Tras el desafío de crear hardware que funcione, se debe desarrollar software para cosechar los beneficios del paralelismo, aunque no podemos ver lo que sucede dentro de un circuito cuántico sin perder la superposición. Cuando medimos el valor de salida de los qubits entrelazados de un circuito cuántico, la superposición colapsa en solo uno de los muchos resultados posibles. A veces, sin embargo, la salida arroja pistas de que los cúbits interfirieron extrañamente consigo mismos (es decir, con sus contrapartes probabilísticas) dentro del circuito.

Los científicos de control de calidad de UC Berkeley, la Universidad de Toronto, la Universidad de Waterloo, UT Sydney y otros lugares ahora están desarrollando una clase fundamentalmente nueva de algoritmos que detectan la ausencia o presencia de patrones de interferencia en la salida de control de calidad para recopilar inteligentemente información sobre lo que sucedió en el interior.

La pila de control de calidad

Por lo tanto, un control de calidad completamente funcional debe incorporar varias capas de una pila de tecnología novedosa, que incorpore componentes de hardware y software. En la parte superior de la pila se encuentra el software de la aplicación para resolver problemas en química, logística, etc. La aplicación generalmente realiza llamadas API a una capa de software debajo de ella (denominada vagamente “compilador”) que traduce las llamadas de función en circuitos para implementar ellos. Debajo del compilador se encuentra una computadora clásica que alimenta los cambios de circuito y las entradas a la Unidad de Procesamiento Cuántico (QPU) debajo de él. La QPU normalmente tiene una capa de corrección de errores, una unidad de procesamiento analógico para transmitir entradas analógicas al circuito cuántico y medir sus salidas analógicas, y el propio procesador cuántico, que alberga las partículas entrelazadas aisladas.