NeoFronteras

Microprocesador cuántico de estado sólido

Área: Física,Tecnología — miércoles, 1 de julio de 2009

Fabrican el primer procesador de estado sólido, en forma de chip, aunque de sólo dos qubits.

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El chip cuántico se parece a los chips tradicionales. Ilustración: Blake Johnson, Yale University.

Desde hace unos años a esta parte se pretende desarrollar la computación cuántica. En lugar de los bits tradicionales, los ordenadores cuánticos utilizarán qubits (¿cubits?) o bits cuánticos. En los qubits se pretende aprovechar la maravillosa capacidad de superponer varios estados cuánticos que la Mecánica Cuántica permite para realizar cálculos inabordables con los ordenadores actuales.
Aclaremos en este punto que lo único que se ha demostrado teóricamente para lo que este tipo de ordenadores hipotéticos serían realmente eficientes es para hacer la factorización de un número compuesto en sus factores primos, algo que harían mucho más rápidamente que los ordenadores con la tecnología actual. Sin embargo, abordar la resolución de problemas NP o problemas NP completos con ordenadores cuánticos no reportaría muchas ventajas.
En todo caso la factorización rápida de números compuesto, es decir, descomponerlo en producto de números primos, abriría las puertas a quebrar el sistema RSA de cifrado usado en las comunicaciones informáticas actuales.
Pero de momento no hay que preocuparse, pues no es fácil construir un ordenador cuántico. Esto se debe fundamentalmente a dos razones. Mantener la coherencia cuántica de tal modo que se conserve la superoposición de estados sin que el sistema colapse a uno de ellos durante el tiempo necesario que permita el cálculo no es sencillo. Además, para conseguir los qubits se utilizaban átomos o partículas que debían de permanecer aislados a muy bajas temperaturas en trampas electromagnéticas muy complejas. Es decir, era necesaria toda una parafernalia tecnológica que ocupaba toda una habitación para realizar un cálculo muy elemental. Por eso, desde hace un tiempo a esta parte, se sueña con conseguir qubits en un dispositivo de estado sólido: un chip.
Ahora un equipo de la universidad de Yale ha creado el primer microprocesador cuántico de estado sólido sencillo, dando un paso más hacia el sueño de construir un computador cuántico. Además han usado este chip para correr un par de algoritmos elementales, uno de ellos consistente en una búsqueda (algo que los ordenadores tradicionales hacen muy mal y que los cuánticos hacen muy eficientemente). Con esto demuestran que es posible la computación cuántica en un dispositivo de estado sólido. Estas computaciones simples realizadas con este dispositivo superconductor se realizaron anteriormente con átomos y fotones.
Robert Schoelkopf como líder experimental y Steven Girvin como líder teórico han realizado, junto a sus colaboradores, este dispositivo que tiene el aspecto de un chip tradicional. En este caso cada qubits está compuesto miles de millones de átomos en lugar de ser átomos aislados, pero se comportan como “átomos artificiales” con sólo dos estados de energía que se corresponde al “0” y al “1”. Estos dos estados pueden además superponerse con mucho cuidado y crear un nuevo estado.
La técnica de fabricación de este chip es similar a la empleada por industria microelectrónica. Cada qubit consta de una película de niobio superconductor sobre óxido de aluminio a la que se le practica una zanja. Un corriente puede pasar de una parte a otra de la zanja por efecto túnel cuántico. Los dos qubits, además, están separados por una cavidad que contiene microondas y todo el sistema está conectado a una corriente y refrigerado a un grado por encima del cero absoluto de temperatura.
La superposición es la que permite hacer determinados tipos de cálculos rápidamente. Podemos utilizar una tarea como ejemplo para explicar este punto. Si usted tiene cuatro números de teléfono y no sabe cuál corresponde a una persona en concreto, entonces tendrá que hacer varios intentos de lectura hasta dar con el correcto. Pero si se superponen esos cuatro números, este procesador cuántico lo encontrará al primer intento.
Mantener la coherencia a lo largo del tiempo, como hemos dicho, no es fácil. Pero el cálculo se debe de realizar precisamente durante ese tiempo. En los primeros qubits se mantenía la superposición durante sólo un nanosegundo. En este caso se consigue durante un microsegundo, es decir, mil veces más tiempo.
Para realizar las operaciones estos dos qubits se comunican con un “bus cuántico”, desarrollado previamente por el mismo grupo de investigadores, que está formado por fotones de microondas que llevan la información de un lado a otro, comunicando los qubits entre sí.
El primer algoritmo que corrieron en este microprocesador, conocido como algoritmo de Grover o búsqueda inversa en la guía telefónica, se basa esencialmente en que le microprocesador lee todos los números de un listín a la vez (como en el ejemplo de los números de teléfono) para así encontrar la respuesta correcta. Al final del cálculo los qubits están en un estado en concreto y no superpuesto. Esta configuración da precisamente la respuesta al problema.
El segundo algoritmo, que es más simple, es el de Deutsch-Jozsa, que comprueba si el lanzamiento de una moneda es una apuesta justa o no.
En ambos casos la resolución fue relativamente satisfactoria con una eficacia del 80% y del 90% respectivamente. Algo que no está mal para un procesador cuántico muy simple que todavía no es una computadora cuántica de verdad.
El próximo paso de estos investigadores será trabajar sobre el aumento de tiempo en el que los qubits pueden mantener su estado para así correr algoritmos más complejos. Además desean conectar más qubits entre sí. Recordemos que la capacidad de procesamiento aumenta exponencialmente con el número de qubits. Se cree que será posible dotar de 3 ó 4 qubits al microprocesador fácilmente, pero que será mucho más difícil añadir más.
De todos modos Schoelkopf advierte que pasará mucho tiempo hasta que un ordenador de este tipo pueda resolver problemas complejos reales.

Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original (resumen).

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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8 Comentarios

  1. joabbl:

    Es una cosa rarísima esto de la computación cuantica. ¿Qué tipo de problemas podría resolver que ahora ni nos podemos imaginar? ¿Quizá simulaciones de procesos “reales”? ¿Cómo serían los lenguajes de programación? A lo mejor el universo no es más que un computador cuántico creado para resolver algún problema que ni nos podemos imaginar… Cuando la solución aparezca en la pantalla nosotros desapareceremos, como esos procesos que mueren al acabar la ejecución de un programa …

    Saludos a todos

  2. NeoFronteras:

    Como se dice en el texto un ordenador cuántico sería muy eficiente con la factorización de números grandes en sus primos constituyentes. No lo sería tanto para otras tareas. Ya aclaró Turing que siempre habrá problemas que no sean computables bajo ningún computador.
    En cuanto a lo que el Universo es un ordenador es un argumento típico de la ciencia ficción, pero quizás sirve para filosofar.

  3. lluís:

    Si se consiguieran “qubits” que controlaran “gatos de Schrödinger” se podría entender la transición de lo cuántico a lo clásico. En cuanto al uso que hace la ciencia-ficción del universo como un ordenador cósmico, no deja de ser una idea atractiva (al menos para filosofar), además si se tiene en cuenta el “Principio Holográfico”, la cosa tiene su miga.Sumándole a ello el hecho de que el gran Boltzmann, comparaba el universo con una caja de gas,pues menudos “fantasmas” pueden salir de esa mezcla de gas y luz proyectada por ese “ordenador”.

  4. NeoFronteras:

    Los qubits son precisamente “gatos de Schrödinger” en una superposición de estados.

  5. lluís:

    Sí, pero por ahora “controlan”, más bien poco.

  6. Joabbl:

    En los años 80 Roger Penrose escribió La Nueva Mente del Emperador, en el que argumentaba que los ordenadores tal y como los conocemos ahora nunca podrían emular a la mente humana, su creatividad, intuición y capacidad de resolver problemas “de verdad”, no mediante un algoritmo que muchas veces ya presupone que conoces la solución. Según él en el cerebro humano a la escala de las neuronas los efectos cuánticos serían fundamentales. Si esto fuese así tal vez los verdaderos computadores cuánticos seamos nosotros. Por lo (poco) que yo sé, desde que se escribió ese libro poco o nada se ha avanzado en este tema. Los ordenadores son máquinas de Turing y nosotros (tal vez) seamos otra cosa. Es una pena que en temas tan importantes no se avance al ritmo deseable. Si es que se avanza…

  7. NeoFronteras:

    Estimado Joabbl:
    Ese tema que menciona está conectado con lo que ya discutimos sobre el tema de la libertad en: http://neofronteras.com/?p=2664
    Efectivamente si somos máquinas de Turing estamos determinados.
    En cuanto a qué temas se investigan y cuáles no, todo se reduce a la financiación. Si un científico propone un tema sobre los fundamentos de la Física lo más seguro es que además de no conseguir financiación arriesgue su carrera. Es más fácil dar la máquina de los churros, que sí produce resultados seguros (intrascendentes) o de aplicación práctica que jugársela en terrenos extraños.
    Si el tema es estrictamente teórico y no necesita muchos recursos entonces basta con ser joven, idealista, atrevido y muy brillante para obtener resultados.

  8. Mmm:

    Un computador cuántico también es Turing-completo, es decir, es capaz de computar las mismas funciones que una máquina de Turing. La única diferencia entre un computador cuántico y uno convencional es que el cuántico es mucho más rápido, nada más. No da capacidad de computación extra, solo computa más “deprisa”.

    En cuanto al determinismo, no debemos confundir determinismo ontológico con determinismo científico. La mecánica cuántica es no determinista desde el punto de vista científico, pero no puede afirmar ni negar nada sobre el determinismo ontológico. Con la cuántica no podemos establecer predicciones causales determinadas, y quizás no encontremos ningún modelo más allá que lo permita, lo que no significa que el mundo sea esencialmente no-determinista.

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