«Somos cautelosamente optimistas de que la supremacía cuántica se puede lograr con Bristlecone».

Este lunes, el investigador de Google, Julian Kelly, presentó Bristlecone, el nuevo procesador cuántico de 72 qubits, récord de la compañía, en la reunión anual de la American Physical Society en Los Ángeles. Kelly y sus colegas en el laboratorio Quantum AI de Google esperan que este procesador sea el primer chip en alcanzar la supremacía cuántica, el punto en el que las computadoras cuánticas pueden realizar cálculos que están más allá de las capacidades de los supercomputadores más avanzados.

«Es un gran salto en el número de qubits en un chip, y están dispuestos en un diseño bidimensional, lo que complica el control del sistema», dijo Michele Mosca, físico del Instituto de Computación Cuántica de la Universidad de Waterloo para Motherboard.

«Está mucho más cerca de lo que se necesita para implementar el surface code», agregó Michele, refiriéndose a la capacidad de manipular los qubits en un sistema cuántico para realizar cálculos útiles.

El término «supremacía cuántica» está un poco cargado en la medida en que solo se refiere a la capacidad de una computadora cuántica para superar a las supercomputadoras clásicas en algunos tipos de ecuaciones. Además, una métrica para medir el rendimiento de un procesador cuántico para determinar si se ha logrado la supremacía cuántica también es un punto de discusión entre los físicos cuánticos. Kelly y sus colegas de Google creen que su nuevo procesador no solo demostrará supremacía cuántica, sino que también contará con las herramientas para medirlo cuando suceda.

De acuerdo con una publicación de blog de Kelly, el procesador con el apodo de Bristlecone porque la matriz se parece al patrón en una piña, se basa en una matriz de nueve qubits desarrollada por investigadores de Google.

Los Qubits son el análogo cuántico del bit digital, la unidad de información más pequeña procesada por las computadoras tradicionales. Sin embargo, a diferencia de un bit, que es binario y solo puede tener uno de dos valores (uno o cero), puede existir un qubit en una superposición de estados (su valor podría ser cero, uno o alguna combinación). Qubits dotará a las computadoras cuánticas con la capacidad de realizar ciertas tareas, como consultar una base de datos, factorizar grandes números primos o crear modelos científicos complejos, de manera mucho más eficiente y precisa que una supercomputadora.

Pero crear una computadora cuántica de gran escala en funcionamiento no es solo una cuestión de encadenar un montón de qubits y dejar que ellos hagan lo suyo. La creación de matrices de qubits es una tarea desafiante que generalmente requiere materiales exóticos, configuraciones láser costosas y / o condiciones ambientales extremas para funcionar correctamente, dependiendo de si los qubits se basan en iones, giros de semiconductores o, como en el caso de Google. procesador, circuitos superconductores.

Otra dificultad es que los qubits en sí mismos son bastante sensibles a la interferencia ruido-ambiente que puede poner fuera de peligro el estado de un qubit y, como resultado, son altamente propensos a errores. La creación de matrices robustas de qubits con tasas de error mínimas es uno de los mayores obstáculos entre los físicos y una computadora cuántica funcional a gran escala.

La matriz de nueve qubits que sirvió como modelo para Bristlecone fue un paso significativo en esa dirección. Como se detalla en dos documentos publicados por investigadores de Google en 2015 y 2016 , este conjunto de qubits logró tasas de error del 1 por ciento para la lectura, tasas de error del 0.1 por ciento para puertas con un solo qubit y del 0.6 por ciento para puertas con dos qubits. Una puerta qubit es el análogo cuántico de la puerta lógica en una computadora clásica, que generalmente toma dos entradas y realiza una operación lógica sobre ellas para producir una única salida.

En el mundo de los procesadores cuánticos, las tasas de error del procesador de nueve qubits son notablemente bajas, especialmente para las puertas de dos qubits que los investigadores de Google dicen que son un componente crítico de su procesador cuántico Bristlecone.

«Estamos buscando lograr un rendimiento similar a las mejores tasas de error del dispositivo de 9 qubits, pero ahora a través de los 72 qubits de Bristlecone», escribió Kelly. «Creemos que Bristlecone sería entonces una convincente prueba de principio para construir computadoras cuánticas de mayor escala».

Es importante tener en cuenta que el procesador Bristlecone aún no se encuentra en la cúspide de la supremacía cuántica. Antes de que pueda llegar allí, Kelly y sus colegas primero deben idear una forma de medir el rendimiento del procesador.

El problema es que cuando se trata de la supremacía cuántica, una supercomputadora no podrá verificar los resultados de una computadora cuántica ya que los cálculos serán demasiado complejos para que pueda manejarlos. Los investigadores cuánticos han desarrollado una serie de métodos diferentes para verificar los resultados de las computadoras cuánticas con métodos clásicos, aunque a menudo estos solo miran aspectos específicos de un procesador cuántico en lugar de cómo funciona el procesador en su conjunto. Esto puede dificultar la evaluación de si el procesador cuántico en realidad está superando a una computadora clásica.

Kelly escribió que los teóricos de Google han desarrollado una herramienta de evaluación comparativa que podrá determinar si su chip alcanzó la supremacía cuántica. La prueba implica aplicar circuitos cuánticos individuales al azar al procesador y medir la salida contra una simulación clásica.

Un procesador cuántico capaz de superar a una computadora clásica no solo debe tener muchos qubits; esos qubits deben ser capaces de llevar a cabo operaciones complejas, medidas como la «profundidad» de un circuito cuántico, que transmite cuántas operaciones puede esperar que realice un procesador cuántico antes de que la salida sea incorrecta.

Cada qubit en un procesador es capaz de introducir un error en un cálculo, lo que hace difícil encontrar un equilibrio entre bajas tasas de error y la «potencia» de un procesador cuántico. Un sistema con un pequeño número de qubits podría tener casi ningún error (es decir, una profundidad de circuito grande), pero la complejidad de los cálculos que puede realizar el conjunto de qubits no mantendrá en vela lo que un superordenador clásico puede hacer .

La pregunta es: ¿cuántos qubits se necesitan y cuán «profundo» debe ser un circuito cuántico para alcanzar la supremacía cuántica? Esto todavía está en debate, pero Kelly escribió que los teóricos de Google piensan que tienen una respuesta.

«Aunque nadie ha logrado este objetivo todavía, calculamos que la supremacía cuántica se puede demostrar cómodamente con 49 qubits, una profundidad de circuito superior a 40 y un error de dos qubits por debajo del 0,5 por ciento», escribió Kelly en la publicación del blog.

Los investigadores de Google ya han desarrollado un procesador con 72 qubits, por lo que ahora tienen que aumentar la profundidad de su circuito y reducir aún más su tasa de error de dos qubits para alcanzar la supremacía cuántica.

Sin embargo, como Michele señaló, no solo es difícil evaluar la supremacía cuántica, sino que el término «supremacía cuántica» en sí mismo es polémico.

«Debemos estar atentos para dejar en claro que estamos hablando de demostrar una ventaja cuántica para algunos problemas, y no todos los problemas», me dijo Mosca. «Demostrarlo para algunos problemas es validar la predicción de que la mecánica cuántica permite una computación fundamentalmente más poderosa».

Cuando los investigadores lograrán la supremacía cuántica, y cómo sabremos cuándo llegamos allí, es una pregunta en constante evolución. Cualquiera que sea la respuesta, el procesador Bristlecone de Google es un paso significativo en esa dirección.