Computadores fantasmales más cerca de la realidad

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Ondas de luz
El nuevo procesador aprovecha el entrelazamiento cuántico.

Demostrado el procesado cuántico del estado sólido.

Los ordenadores de mañana podrían ser cuánticos, no clásicos, usando las extrañas propiedades del mundo cuántico para incrementar vastamente la memoria y velocidad del procesado de información. Pero fabricar tales partes de cálculo cuántico a partir de un conjunto estándar hasta el momento se ha mostrado como una tarea difícil.

Ahora, el físico Leonardo DiCarlo de la Universidad de Yale en New Haven, y sus colegas han hecho el primer procesador cuántico de estado sólido, usando técnicas similares a la industria de los chips de silicio. El procesador ha usado programas conocidos como algoritmos cuánticos para resolver dos problemas distintos. El trabajo se publica en la revista Nature.

Los sistemas clásicos usan una serie de 0 y 1, o bits, para transportar la información. Dos bits, por ejemplo, pueden combinarse para formar 00, 11, 01 ó 10. Pero en los sistemas cuánticos hay una propiedad conocida como superposición, donde todas estas combinaciones pueden tener lugar al mismo tiempo. Esto incrementa enormemente la cantidad de información que puede almacenarse y la velocidad a la que pueden procesarse.

Los bits cuánticos, o qubits, también pueden entrelazarse — el estado de uno de los qubit influye en el estado de otro incluso a una distancia considerable. Un computador cuántico usaría qubits entrelazados para procesar información.

Trabajo sólido

Los algoritmos cuánticos han sido procesados anteriormente, pero sólo en sistemas exóticos usando lásers con potentes imanes. Para hacer algo más similar a un ordenador se necesita un sistema de estado sólido.

DiCarlo hizo su dispositivo a partir de dos qubits transmon. Son diminutas piezas de un material superconductor que constan de una película de Niobio sobre una oblea de óxido de aluminio con huecos grabados en la misma. Una corriente puede “canalizarse” a través de estos huecos – otra propiedad especial del mundo cuántico, donde ondas y partículas pueden cruzar barreras sin abrir una brecha en ellas. Los dos qubits están separados por una cavidad que contiene microondas, y todo el sistema está conectado a una corriente eléctrica.

“El atractivo de nuestro procesador es que es un dispositivo de estado sólido completo”, dice DiCarlo. Se realizó usando técnicas industriales estándar. Pero la analogía con los ordenadores comunes no debería sobrevalorarse, advierte — el dispositivo funciona a apenas una fracción de grado sobre el cero absoluto y requiere de una tecnología especial de refrigeración.

Los investigadores controlaron el sistema usando un “tono” de microondas con una frecuencia que provoca que los qubits se entrelacen. Entonces se aplica un pulso de voltaje para controlar cuánto tiempo permanecen entrelazados los dos qubits y en su estado superpuesto. Un mayor entrelazamiento permite a los qubits procesar problemas más complejos.

DiCarlo fue capaz de mantener los qubits entrelazados durante un microsegundo, lo cual es lo más avanzado que se ha logrado, dice.

La llamada del qubit

El sistema procesó dos algoritmos escritos específicamente para sistemas cuánticos.

El primero es el algoritmo de búsqueda de Grover, también conocido como la búsqueda inversa de la guía de teléfonos. El procesador esencialmente lee todos los números de la guía a la vez para encontrar la respuesta correcta. “Al final el qubit estará en un estado, no superpuesto, y esa es la respuesta”, dice DiLorio.

El segundo algoritmo, más simple, el algoritmo de Deutsch-Jozsa, prueba si el lanzamiento de una moneda es imparcial o no.

El procesador de DiCarlo logró un impresionante acierto del 80% en la búsqueda de la guía de teléfonos y un 90% en el algoritmo del lanzamiento de la moneda.

Para leer la respuesta, DiCarlo usó un tono de microondas en la misma frecuencia que la cavidad del sistema. “Dependiendo de en qué estado se encuentra el qubit, la cavidad resonará a una frecuencia concreta. Si el tono se transmite a través de la cavidad, sabemos que está en el estado correcto”, comenta.

Pero esta técnica no podría leer la respuesta en un sistema con muchos qubits más, dice el experto en computación cuántica Hans Mooij de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos. El desarrollo del procesador son buenas noticias, añade Mooij. “Este es un paso necesario”, comenta. “Si esto puede hacerse, lo siguiente también puede realizarse”.

DiCarlo es cauteloso. “Hemos hecho un procesador cuántico muy simple”, dices. “No es de ninguna manera un ordenador cuántico”.

Ahora está trabajando para dar al procesador más qubits, y por lo tanto más potencia de procesamiento. Cree que aumentar la escala a tres o cuatro qubits será relativamente simple, pero más allá el problema se hace mucho más complejo, y el tiempo de coherencia necesario será difícil de obtener. Mooij concuerda: “Para pasar de tres o cuatro a diez necesitarán dar otro gran paso”.


Artículo de referencia: DiCarlo, L. et al, Nature, doi:10.10383/nature08121 (2009)
Autor: Katharine Sanderson
Fecha Original: 28 de junio de 2009
Enlace Original

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