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Memoria cuántica

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Memoria cuántica
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Presentación

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La memoria cuántica, en lugar de almacenar bits de información, como las tradicionales, almacenan Qubits.

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Contenido

La diferencia principal entre un bit y un Qubit es que este último se encuentra en un estado llamado de superposición cuántica, es decir, puede poseer simultáneamente unos y ceros (el bit que solo puede representar un 1 o un 0). Eso permite a los sistemas cuánticos, entre otras cosas, realizar cálculos a mucha mayor velocidad que los sistemas tradicionales.

El problema hasta ahora con las memorias cuánticas era su inestabilidad: solo podían aguantar unos segundos sin que los datos almacenados se borraran o dañaran. Con este nuevo avance se ha probado que construir un ordenador cuántico en el futuro es de verdad viable. "39 minutos puede no parecer mucho tiempo, pero es mucho más de lo que se había conseguido hasta ahora", dice en un comunicado Stephanie Simmons, de la Universidad de Oxford, uno de los centros autores del experimento. ¿Cómo lo lograron?

Los investigadores grabaron información en el núcleo de átomos de fósforo dentro de una pieza de silicio puro, a temperatura cercana al cero absoluto (la menor temperatura posible). Con pulsos de campos electromagnéticos lograron inclinar el giro de los átomos y producir el estado de superposición cuántica, es decir, qubits de memoria cuántica. Cuando elevaron el sistema a la temperatura ambiente, se mantuvo estable 39 minutos.

Todo esto traducido significa que estamos más cerca de lograr que la computación cuántica se haga por fin realidad más allá de los laboratorios. Los ordenadores cuánticos podrían realizar operaciones y cálculos complejos a una velocidad que hoy es imposible con los sistemas actuales. También serían más seguros que los actuales. Sin embargo, se calcula que su comercialización podría no llegar hasta dentro de bastantes años o incluso décadas.

39 minutos

Es el nuevo récord de tiempo que una memoria cuántica ha logrado mantenerse estable, con sus datos intactos, batiendo el récord anterior de solo 25 segundos. El avance, logrado por un equipo internacional de investigadores y publicado ahora en Science[1], supone una nueva puerta abierta para el desarrollo de ordenadores cuánticos ultra-rápidos y seguros.[2]

Laboratorio cuántico de Google

Quantum Artificial Intelligence Laboratory

NASA y Google se unieron para lanzar el Quantum Artificial Intelligence Lab[3]. Estará situado en el Ames Research Center de la NASA y contará con una supercomputadora cuántica de D-Wave Systems que será utilizada por integrantes de la Universities Space Research Association y por investigadores invitados de todo el mundo.

Estructura soporte para la instalación del procesador Vesubio D-Wave, que se enfrió a 20 milikelvin (cerca del cero absoluto)

Lo que se pretende con la creación del laboratorio es desarrollar adelantos en la inteligencia artificial. Según el blog de Google Research, el objetivo es “estudiar cómo la computación cuántica puede lograr avances en el aprendizaje de máquinas”.

A Google le parece que la computación cuántica podría ser lo que se necesita para mejorar su sistema de búsqueda; entender las preguntas habladas puede generar mejores resultados al buscar información en línea. Los posibles avances también podrían ayudar a curar enfermedades al predecir cómo se desarrollan y a crear políticas ambientales más efectivas con modelos acertados de qué sucede con el clima.

A diferencia de las supercomputadoras tradicionales, la cuántica combina átomos para que funcionen unidos como bits cuánticos. Al aislarlos y forzarlos a interactuar uno con otro, se podrían hacer dos o más cálculos a la vez y así se encontraría una solución más exacta. “La computación cuántica te deja hacer un poco de trampa, te da la oportunidad de ver desde una elevación para encontrar un valle escondido detrás. Así tienes más oportunidad de hallar el verdadero punto más bajo, la solución óptima”.

En mayo Google compró un ordenador cuántico a la compañía canadiense D-Wave. Operado por personal de Google con ayuda de científicos de la NASA, los objetivos de este nuevo laboratorio van desde poner a prueba la propia computación cuántica, a realizar otros experimentos de cálculo en astronomía o en desarrollo de software.[4]

De hecho, aún hay dudas teóricas sobre si el ordenador cuántico de D-Wave funciona realmente a nivel cuántico o no. Por lo pronto, las pruebas con esta máquina han permitido refinar el algoritmo de Google Glass que distingue cuando el usuario está parpadeando a propósito para activar una función, de cuando es un parpadeo involuntario. [5]

Laboratorio lleva utilizando Internet cuántica desde hace 2 años

Es el sueño de cualquier científico y tecnólogo: una Internet capaz de transmitir datos de forma increíblemente rápida y a la vez 100% segura. Esto es lo que, entre otras cosas, promete la Internet cuántica, un concepto que usa las leyes de la mecánica cuántica para crear una red de ordenadores con una seguridad perfecta. Pensábamos que de momento era inalcanzable, pero un equipo de científicos del Laboratorio Nacional de Los Alamos (Nuevo México, EE.UU.) ha admitido llevar al menos dos años utilizando una red de Internet cuántica.

La idea detrás de la Internet cuántica es que el acto de medir un objeto cuántico (a escala microscópica, como un fotón) cambia ese objeto. Aplicado a una red de comunicación, sería imposible interceptar mensajes, ya que cualquier intento de hacerlo los anularía y los haría incomprensibles al interceptor. [6]

Investigadores de Los Álamos confirman la creación de una red cuántica que llevaría funcionando dos años. Hasta que el desarrollo de los routers cuánticos sea una realidad, este avance supone un importante paso en el mundo de las telecomunicaciones.

La construcción de lo que se conoce como internet cuántico lleva siendo uno de los grandes anhelos y sueños de los expertos en seguridad y criptografía. Los aportes impresionantes que podrían realizar las leyes de la mecánica cuántica permitirían avances importantes en los nuevos sistemas de comunicación.

La razón por la que la idea del internet cuántico mejoraría la seguridad de las comunicaciones está basada, como citábamos antes, en cómo podemos medir partículas cuánticas (como los fotones). El acto mismo de medir un fotón hace que este cambie, lo que trasladado a los sistemas de comunicación, evitaría dejar cualquier tipo de "rastro" asociado en el intercambio de información a través de la red.

Esta idea permitiría el desarrollo de sistemas de comunicación mucho más rápidos y seguros. Sin embargo, el empleo de nuevos sistemas de criptografía se ven aún limitados por la tecnología actual. Por ello desde hace tiempo se trabaja en la construcción de un router cuántico. A pesar de que existen varios grupos de investigación intentando avanzar en esta solución tecnológica, lo cierto es que las propuestas existentes hasta el momento aún están lejos de ser una realidad comercial.

:Laboratorio Nacional Los Álamos USA

Este inconveniente nos alejaría de la idea del internet cuántico que planteábamos al principio. Sin embargo, un avance desarrollado por investigadores de Los Álamos, en Estados Unidos, podría acercarnos a la red cuántica y a la modernización de los sistemas de comunicación actuales. Según la información que han proporcionado, su alternativa de internet cuántico lleva funcionando en secreto dos años.

Dado que aún no existen routers especializados como comentábamos antes, el trabajo de Richard Hughes y sus colaboradores se ha basado en construir una red cuántica en torno a un nodo o hub central. Los bits cuánticos son transformados en convencionales al llegar a este punto, y a la salida, vuelven a ser convertidos en bits cuánticos, por lo que mientras se garantice la seguridad del hub, la red cuántica también lo sería.

Otras iniciativas anteriores habían logrado redes de solo dos nodos, pero el trabajo de los científicos norteamericanos ha permitido la construcción de una red cuántica de varios ordenadores, que además funciona desde hace dos años. Sin embargo, el problema que tenemos con esta aproximación (igual que en intentos anteriores) está centrado en el proceso de escalado del internet cuántico. Hughes ha conseguido superar también este problema, ya que confirman que cada nodo de la red estaría dotado de transmisores cuánticos.

Esta red podría servir hasta que el desarrollo de los routers cuánticos fuera una realidad, lo que permitiría un proceso de escalado y una eficacia en las telecomunicaciones muy superior. Hasta ese momento, la innovación planteada por el equipo de Hughes supone una buena alternativa para seguir trabajando en este fascinante campo.

Google se acerca a la computación cuántica corrigiendo sus errores

La solución a uno de los principales problemas que frenan el desarrollo de los computadores cuánticos ha sido demostrada por investigadores de Google y la Universidad de California en Santa Bárbara (UCSB, EEUU). Aún hay que resolver muchos más problemas, pero los expertos en el campo afirman que es un paso importante hacia un ordenador cuántico completamente funcional. Una máquina de este tipo podría realizar cálculos que un ordenador convencional tardaría millones de años en completar.

Los investigadores de Google y la UCSB demostraron que podían programar grupos de qubits (dispositivos que representan la información usando la frágil física cuántica) para que detectaran ciertos tipos de error, y para evitar que esos errores arruinasen un cálculo. El nuevo avance proviene de investigadores dirigidos por el profesor de la UCSB, John Martinis, que se unió a Google el año pasado para establecer un laboratorio de investigación de computación cuántica (ver Google quiere construir su propio ordenador cuántico). Martinis ocupa actualmente una posición conjunta entre la UCSB y Google, dirigiendo trabajos sobre chips de aluminio superconductores que funcionan a una fracción de grado por encima del cero absoluto. La mayoría del trabajo en el que se basan los nuevos resultados, informó ayer miércoles en la revista Nature, se llevó a cabo antes de que Martinis se uniera a Google.

Google lleva explorando la computación cuántica desde 2009, cuando comenzó a colaborar con D-Wave Systems, una start-up que vende lo que denomina como "el primer ordenador cuántico comercial" (ver La CIA y Jeff Bezos apuestan por la computación cuántica). Microsoft también tiene un programa importante de investigación de computación cuántica (ver El viaje lento y rápido de la computación cuántica).

Para crear un ordenador cuántico hay que cablear y unir muchos qubits para que trabajen juntos en la información. Sin embargo, los dispositivos son propensos a cometer errores ya que representan bits de datos (0 y 1) usando los delicados efectos de la mecánica cuántica, que sólo son detectables a temperaturas súper frías y a escalas diminutas. Esto permite a los qubits lograr "estados de superposición" que son efectivamente tanto un 1 como un 0 al mismo tiempo, permitiendo a los computadores cuánticos tomar atajos en cálculos complejos. También los hace vulnerables al calor y otras perturbaciones que distorsionan o destruyen los estados cuánticos utilizados para codificar la información y hacer los cálculos.

Gran parte de la investigación sobre computación cuántica se centra en intentar hacer que los sistemas de qubits detecten y corrijan errores. El grupo de Martinis ha hecho una demostración de una pieza de uno de los esquemas más prometedores para lograrlo, un enfoque conocido como códigos de superficie. Los investigadores programaron un chip con nueve qubits para que se supervisaran unos a otros frente a errores conocidos como "bit flips" ("volteos de bits"), que se producen cuando el ruido ambiental hace que un 1 se voltee y pase a ser un 0, o viceversa. Los qubits no pudieron corregir estos volteos de bits, pero lograron tomar medidas para garantizar que no contaminasen los pasos posteriores de una operación.

"Hay que llevar a cabo más trabajos antes de poder decir que contamos con todos los elementos necesarios para crear computación cuántica tolerante a fallos, pero sí creo que este trabajo demuestra que estamos cerca", señala un encargado de trabajar en la corrección de errores cuánticos en el Instituto Perimeter de Waterloo (Ontario, Canadá), Daniel Gottesman.

Los elementos que siguen haciendo falta no son triviales. Los volteos de bits a los que se enfrentaron Martinis y sus colegas también pueden gestionarse mediante algoritmos clásicos en un computador convencional. Un tipo de error más complicado, mediante el que una propiedad cuántica de un qubit, conocida como "fase", se ve alterada por el ruido ambiental, sólo puede solucionarse usando algoritmos más complejos que saquen provecho de los efectos cuánticos. El ingeniero en electrónica cuántica de Google Austin Fowler señala que el grupo está trabajando en eso, y en demostrar la comprobación de errores en más de nueve qubits.

Aún así, los recientes resultados de Martinis y otros hacen que Gottesman sea optimista y crea que es posible llegar a contar con un conjunto completo de técnicas de corrección de errores. "Creo que hay buenas probabilidades de que alguien haga una demostración, posiblemente el grupo de Martinis, en los próximos años", asegura.

Google lanza el primer computador cuántico comercial

Puesta a punto de unas de las próximas revoluciones tecnológicas: la computación cuántica, cuya potencia promete ser muy superior a los ordenadores tradicionales. Y Google ha comenzado a allanar el camino. Durante los dos últimos años, el gigante de internet ha colaborado con físicos experimentales de California para poner en marcha el primer ordenador cuántico comercial.

Este computador cuántico ya es completamente funcional. Tras años de misterio e incertidumbre, la iniciativa de D-Wave, empresa pionera en este campo desde su constitución en 1999, ha arrancado una nueva fase. Así se ha dejado constancia en un evento organizado en el Centro de Desarrollo Ames de la NASA en el que se han mostrado los avances acerca de una máquina adquirida conjuntamente entre Google y la NASA en 2013, el D-Wave X2.

Este monstruo posee un procesador capaz de realizar la llamada «optimización discreta», una operación aplicable en la solución de problemas de optimización muy específicos. Algunas de las aplicaciones mencionadas para este ordenador que sigue las reglas de la Física Cuántica hablan sobre inteligencia artificial. Una de las principales motivaciones detrás del esfuerzo para desarrollar computadores cuánticos es el fenómeno cuántico de la superposición, en el que pueden existir partículas en muchos estados a la vez, lo que permite procesar enormes cantidades de datos en paralelo.

«Hemos aplicado recientemente los nuevos conocimientos para resolver los problemas de optimización», señala en un comunicado Hartmut Neven, responsable de ingeniería. «Estos problemas se diseñaron para demostrar que la computación cuántica tiene ventajas a la hora de ejecutar las tareas informáticas». Los responsables del proyecto han confirmado que los nuevos procesadores son hasta 108 millones de veces más rápidos que los de un computador tradicional, aunque se muestran cautelosos de los avances obtenidos. «Los resultados son interesantes y muy alentadores, pero queda aún mucho trabajo por delante para convertir la optimización cuántica en una tecnología práctica», subraya este experto.

En cualquier caso, el anuncio no vuelve a ser ajeno a la polémica, ya que la incertidumbre ha paseado en torno a esta innovación que contempla varias dudas. Esta computación cuántica, no obstante, podría revolucionar las capacidades de la informática al poder realizar cálculos en casos minutos que, con los métodos actuales, se tardarían miles de años.[7]

Fuentes y Enlaces de interés

  1. sciencemag.org/
  2. Vía University of Oxford, BBC y Science
  3. Quantum Artificial Intelligence Laboratory (QuAIL)
  4. Video First Look: Google Quantum Computing
  5. Theverge/Revista en ingles
  6. Technology Review
  7. abc.es/ciencia/10/12/2015

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