En lo que es un gran avance en la computación cuántica, un equipo de físicos del Centro Harvard-MIT para Átomos Ultrafríos y otras universidades han creado un tipo especial de computadora cuántica. Este sistema se llama simulador cuántico programable y puede operar con 256 bits cuánticos o “qubits”. Los qubits son fundamentales para el funcionamiento de las computadoras cuánticas y son la fuente de su poder de procesamiento.
El nuevo desarrollo nos acerca a lograr máquinas cuánticas a gran escala, que podrían usarse para obtener una visión profunda de los procesos cuánticos complejos. También podrían tener implicaciones importantes en campos como la ciencia de los materiales, las tecnologías de la comunicación, las finanzas y varios otros que actualmente enfrentan barreras en la investigación.
La investigación fue publicada el 9 de julio en Naturaleza.
Empujando el campo hacia adelante
Mikhail Lukin es profesor de física de la cátedra George Vasmer Leverett y codirector de la Iniciativa cuántica de Harvard. También es uno de los autores principales del estudio.
“Esto mueve el campo a un nuevo dominio donde nadie ha estado hasta ahora”, dijo Lukin. “Estamos entrando en una parte completamente nueva del mundo cuántico”.
Sepehr Ebadi es estudiante de física en la Escuela de Graduados en Artes y Ciencias y autor principal del estudio.
Según Ebadi, las mejores características del sistema son su tamaño y capacidad de programación, lo que lo convierte en uno de los mejores sistemas que existen. Puede aprovechar las propiedades de la materia a escalas extremadamente pequeñas, lo que le permite avanzar en el poder de procesamiento. Un aumento en los qubits puede ayudar al sistema a almacenar y procesar exponencialmente más información que los bits clásicos, en los que se basan las computadoras estándar.
“La cantidad de estados cuánticos que son posibles con solo 256 qubits excede la cantidad de átomos en el sistema solar”, dijo Ebadi.
El simulador ha permitido a los investigadores observar estados cuánticos exóticos de la materia, así como realizar un estudio de transición de fase cuántica, que fue extremadamente preciso y demostró cómo funciona el magnetismo a nivel cuántico.
Según los investigadores, estos experimentos podrían ayudar a los científicos a aprender a diseñar nuevos materiales con propiedades exóticas.
El nuevo sistema
El proyecto se basa en una plataforma desarrollada en 2017 por los investigadores, pero esta vez se actualizó significativamente. Era capaz de alcanzar un tamaño de 51 qubits en el pasado y permitió a los investigadores capturar átomos de rubidio ultrafríos y colocarlos en un orden específico mediante el uso de una matriz unidimensional de rayos láser enfocados individualmente.
Este sistema permite ensamblar átomos en matrices bidimensionales de pinzas ópticas, que es el nombre de los rayos láser. Esto permite que el tamaño alcanzable del sistema aumente de 51 a 256 qubits. Luego, los investigadores pueden usar las pinzas para organizar los átomos en patrones sin defectos y crear formas programables, lo que permite diferentes interacciones entre los qubits.
“El caballo de batalla de esta nueva plataforma es un dispositivo llamado modulador de luz espacial, que se utiliza para dar forma a un frente de onda óptico para producir cientos de haces de pinza óptica enfocados individualmente”, dijo Ebadi. “Estos dispositivos son esencialmente los mismos que se usan dentro de un proyector de computadora para mostrar imágenes en una pantalla, pero los hemos adaptado para que sean un componente crítico de nuestro simulador cuántico”.
Los átomos se cargan primero en las pinzas ópticas al azar antes de que los investigadores muevan los átomos y los organicen en geometrías objetivo. Luego se usa un segundo conjunto de pinzas ópticas móviles para arrastrar los átomos a sus ubicaciones deseadas, lo que elimina la aleatoriedad inicial. Los láseres permiten a los investigadores tomar el control total sobre el posicionamiento de los qubits atómicos y su manipulación cuántica coherente.
Tout Wang es investigador asociado en física en Harvard y uno de los autores del artículo.
“Nuestro trabajo es parte de una carrera global realmente intensa y de alta visibilidad para construir computadoras cuánticas mejores y más grandes”, dijo Wang. “El esfuerzo general [beyond our own] cuenta con las mejores instituciones académicas de investigación involucradas y una importante inversión del sector privado de Google, IBM, Amazon y muchos otros”.
El equipo ahora está trabajando para mejorar el sistema mejorando el control del láser sobre los qubits, además de hacer que el sistema sea más programable. Según los investigadores, las posibles aplicaciones incluyen probar formas exóticas de materia cuántica y resolver problemas del mundo real que pueden codificarse naturalmente en los qubits.
“Este trabajo permite una gran cantidad de nuevas direcciones científicas”, dijo Ebadi. “No estamos ni cerca de los límites de lo que se puede hacer con estos sistemas”.