La carrera de computadoras cuánticas se intensifica a medida que la tecnología alternativa gana fuerza

Una trampa de iones de la computadora cuántica de Honeywell Crédito: Honeywell Quantum Solutions

Por Elizabeth Gibney

Traducido Por L. Domenech

Los sistemas de iones atrapados están ganando impulso en la búsqueda de una computadora cuántica comercial.

Una tecnología para la construcción de ordenadores cuánticos que las grandes empresas han dejado de lado durante mucho tiempo está ganando impulso. A medida que la computación cuántica se ha transformado de un ejercicio académico a un gran negocio durante la última década, la atención se ha centrado principalmente en un enfoque: los pequeños bucles superconductores adoptados por gigantes tecnológicos como IBM e Intel. Los superconductores permitieron a Google el año pasado afirmar que había logrado una "ventaja cuántica" con una máquina cuántica que por primera vez realizó un cálculo particular que está más allá de las capacidades prácticas de la mejor computadora clásica. Pero un enfoque separado, que utiliza iones atrapados en campos eléctricos, está ganando terreno en la búsqueda de una computadora cuántica comercial.

A principios de este año, la empresa de tecnología y fabricación Honeywell lanzó su primera computadora cuántica utilizando iones atrapados como base de sus bits cuánticos o 'qubits', en los que había estado trabajando silenciosamente durante más de una década. Honeywell, con sede en Charlotte, Carolina del Norte, es la primera empresa establecida en tomar esta ruta. En octubre, siete meses después del lanzamiento, la firma presentó una máquina mejorada; ya tiene planes para ampliar esto.

Y el mes pasado, la empresa derivada de la Universidad de Maryland, IonQ, anunció una máquina de iones atrapados que podría resultar competitiva con las de IBM o Google, aunque la compañía aún no ha publicado detalles de su desempeño. Empresas emergentes más pequeñas, como Universal Quantum y Alpine Quantum Technology en Innsbruck, Austria, con sede en el Reino Unido, también están atrayendo inversiones para proyectos de iones atrapados.

Las computadoras cuánticas de iones atrapados están lejos de ser nuevas: fueron la base de los qubits en el primer circuito cuántico básico en 19951, mucho antes de que alguien usara bucles superconductores. Pero los esfuerzos para unir todos los componentes básicos para construir sistemas comerciales viables están "como una explosión en la escena ahora", dice Daniel Slichter, físico cuántico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Boulder, Colorado.

Trampa de iones de Honeywell dentro de una cámara de vacío Crédito: Honeywell Quantum Solutions

"Creo que hoy en día la gente dice 'superconductores' e 'iones atrapados' al mismo tiempo, y no decían eso ni siquiera hace cinco años", dice Chris Monroe, físico de la Universidad de Maryland en College Park, que trabajó en el experimento de 1995 y es cofundador de IonQ. La computación cuántica está todavía en su infancia, y aunque varias empresas están compitiendo para afirmar que su computadora cuántica es la más avanzada (ver "¿Quién es el mejor?"), Es demasiado pronto para decir qué tipo de hardware, si es que lo hay, prevalecerá. A medida que las empresas adoptan una variedad de tecnologías, el campo es más amplio que nunca.

Cálculos masivos

Las computadoras clásicas almacenan su información como 1 y 0, pero los qubits existen en una delicada superposición de 1 y 0. A través del fenómeno cuántico del entrelazamiento, los estados de los qubits pueden entrelazarse, y la interferencia de sus estados cuánticos en forma de onda debería permitir que una computadora cuántica lleve realizar ciertos cálculos masivos exponencialmente más rápido que las mejores máquinas clásicas. Esto incluye encontrar los factores de los números primos.

Cualquier sistema con dos posibles estados de la mecánica cuántica, como las oscilaciones en un bucle superconductor o los niveles de energía de un ion, podría formar un qubit, pero todos los tipos de hardware tienen pros y contras, y cada uno enfrenta obstáculos sustanciales para formar un cuanto en toda regla. computadora. Una máquina capaz de cumplir la promesa original de la computación cuántica, por ejemplo, descifrando el cifrado convencional, requeriría millones de qubits controlables individualmente. Pero el tamaño no es el único problema: la calidad de los qubits y qué tan bien se conectan entre sí son igualmente importantes.

La frecuencia de errores en qubits delicados y sus operaciones, causados ​​por el ruido, tiende a aumentar a medida que se conectan más. Para que millones de qubits se calculen juntos, cada uno debe funcionar con tasas de error lo suficientemente bajas como para que los errores se puedan detectar y corregir en un proceso conocido como corrección de errores, aunque los físicos también esperan que los sistemas más pequeños y ruidosos resulten útiles a corto plazo. .

¿QUIÉN ES EL MEJOR?

Los laboratorios han competido durante mucho tiempo para construir la computadora cuántica con más qubits. Pero juzgar qué máquina es la más poderosa es complicado, dice Sabrina Maniscalco, física cuántica de la Universidad de Helsinki. "No hay una sola medida de desempeño", dice.

En junio, la empresa de tecnología Honeywell en Charlotte, Carolina del Norte, afirmó haber fabricado la computadora cuántica más poderosa del mundo medida por "volumen cuántico". Esta métrica tiene en cuenta la cantidad de qubits, la conectividad, el ruido y las tasas de error de un sistema, que capturan la complejidad de los problemas que puede resolver. El volumen cuántico de la máquina era 64, el doble que el del dispositivo líder de IBM en ese momento. Como herramienta de comparación, el volumen cuántico es mejor que juzgar solo por el número de qubits, pero sigue siendo una métrica bastante burda, dice Maniscalco.

Las comparaciones directas, una forma alternativa de medir las capacidades relativas de los dispositivos, no siempre son productivas, porque el rendimiento de cualquier computadora depende de la tarea, dice Margaret Martonosi, directora de la dirección de informática de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. Alejandría, Virginia. Sin saber cómo escalarán las características cruciales, el rendimiento de un prototipo nos dice poco sobre el poder de una versión de tamaño completo, agrega.

Al utilizar cualquier métrica, las empresas deben tener cuidado al hacer afirmaciones importantes, dice Doug Finke, un científico informático del condado de Orange, California, que dirige el sitio web Quantum Computing Report, que realiza un seguimiento de la industria. La afirmación de Honeywell de que su máquina era la más poderosa fue prematura, porque pocos desarrolladores usan volumen cuántico, dice. Y en octubre, la primera vez que IonQ usó formalmente la métrica, la empresa derivada de la Universidad de Maryland dijo que esperaban que su última máquina tuviera un volumen cuántico de 4 millones, que si se corrobora superaría el récord de Honeywell.

Otra medida de potencia es la capacidad de una computadora cuántica para vencer a una máquina clásica en un problema, lo que Google hizo el año pasado usando una máquina de 54 quibits. Para Finke, lograr esta "ventaja cuántica" en un problema de valor comercial es "la medida real del éxito de una computadora cuántica".

Pros y contras

En los últimos años, el rápido progreso de los bucles superconductores corría el riesgo de dejar iones atrapados en el polvo. Google e IBM y otros han desarrollado máquinas con alrededor de 50 o más qubits de alta calidad. IBM apunta a tener una máquina de 1.000 qubits para 2023. John Martinis, físico cuántico de la Universidad de California en Santa Bárbara y, hasta abril, director de hardware cuántico de Google, cree que Google utilizará la misma arquitectura básica que utilizó. lograr una ventaja cuántica para lograr la corrección de errores, el próximo gran hito.

Los qubits superconductores se han beneficiado hasta ahora de sentirse familiares para muchas empresas, ya que sus componentes básicos son compatibles con la tecnología de chips clásica. Pero los qubits de iones atrapados, que almacenan información en los niveles de energía de los átomos cargados individuales mantenidos en un campo eléctrico, tienen muchas ventajas inherentes, dice Sabrina Maniscalco, física cuántica de la Universidad de Helsinki. Sus operaciones son mucho menos propensas a errores y los delicados estados cuánticos de los iones individuales duran más que los de los qubits superconductores, que, aunque son pequeños, todavía están compuestos por una gran cantidad de átomos. Además, los qubits superconductores tienden a interactuar solo con sus vecinos más cercanos, mientras que los iones atrapados pueden interactuar con muchos otros, lo que facilita la ejecución de algunos cálculos complejos, dice.

Pero los iones atrapados tienen inconvenientes: son más lentos para interactuar que los qubits superconductores, lo que será importante cuando se trata de contabilizar los errores en tiempo real que salen del sistema, dice Michele Reilly, fundadora de la compañía de software cuántico Turing en Nueva York. Y hay límites en la cantidad de iones que pueden caber en una sola trampa y hacer que interactúen. El último modelo de IonQ contiene 32 iones atrapados en una cadena; arrancar 2 usando láseres hace que interactúen. Para escalar hasta cientos de qubits, la compañía está trabajando en formas de vincular múltiples cadenas de qubits utilizando fotones. La firma apunta a duplicar su número de qubits cada año.

Mientras tanto, Honeywell planea interconectar todos los iones entre sí transportándolos físicamente alrededor de un chip gigante2, una idea desarrollada por primera vez en NIST a fines de la década de 1990. El último sistema de la división Honeywell Quantum Solutions (HQS) de la empresa, llamado H1, consta de solo 10 qubits, pero su científica en jefe Patty Lee dice que la empresa ya está trabajando en su próxima iteración. En los próximos 5 años, el equipo planea conectar alrededor de 20 qubits, lo que debería permitir que la máquina lleve a cabo problemas que de otra manera no serían prácticos en las máquinas clásicas, dice Tony Uttley, presidente de HQS.

El desafío es mantener la calidad y precisión de los qubits, mientras se controlan docenas, o incluso cientos, a la vez, lo que ni Honeywell ni IonQ han demostrado que pueden hacer. Aunque muchos de los componentes necesarios se han dominado individualmente, "lo que se necesita es un enfoque integrador a nivel de sistema que lo ponga todo junto, lo pruebe y resuelva sus problemas", dice Barbara Terhal, física teórica de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos. 

La sala de control de la computadora cuántica de Honeywell Crédito: Honeywell Quantum Solutions

Sin vencedor claro

El hardware de iones atrapados no es el único que atrae una inversión sustancial. El éxito de los qubits superconductores ha abierto las puertas a varias tecnologías, dice Slichter, incluidos los qubits de espín basados ​​en silicio, que almacenan información cuántica en los estados de espín nuclear de un átomo incrustado en un cristal de silicio. En un golpe para esta tecnología, Martinis se unió a Silicon Quantum Computing en Sydney, Australia, en un año sabático de 6 meses en septiembre, su primer alejamiento de los sistemas superconductores en casi dos décadas. A Martinis no le importa qué diseño termina ganando. “Quiero ayudar a alguien a construir la primera computadora cuántica. No tiene que ser yo [o] lo que sea con lo que esté trabajando ", dice.

La carrera también está lejos de ser convocada, dice Maniscalco, y es posible que nunca surja un ganador. "Puede ser que no haya una plataforma ganadora, pero tenemos una plataforma híbrida o diferentes que son útiles para diferentes tareas".

Bibliografía:

1. Monroe, C. y col. Phys. Rev. Lett. 75, 4714 (1995). PubMedArticle Google Académico
2. Pino, J. M. et al. Preimpresión en https://arxiv.org/abs/2003.01293 (2020).

El artículo se puede leer en su versión original en inglés en Nature