Cómo los qubits “frágiles” se convierten en la “columna vertebral” de la computación cuántica

Título original: Cómo los qubits “frágiles” se convirtieron en la “columna vertebral” de la computación cuántica

Recientemente, las noticias sobre la computación cuántica han inundado las pantallas. El avance de las computadoras cuánticas nos muestra escenarios informáticos futuros más rápidos y más fuertes. Sin embargo, para la mayoría de la gente, las computadoras cuánticas siguen siendo una existencia "desconocida".

Podemos encontrar que un parámetro importante que expresa el nivel de potencia de un ordenador cuántico es su número de qubits. Ya sea el prototipo de computación cuántica superconductora programable de 66 bits de mi país "Zuchong-2" o la computadora cuántica de 127 qubits anunciada recientemente por IBM, los qubits son un concepto inevitable. Entonces, ¿qué son exactamente los qubits? ¿Por qué es tan importante en la computación cuántica? ¿Cuáles son las dificultades para aumentar el número de qubits?

El gato de Schrödinger “Vivo y muerto”

Los qubits son las unidades de información básicas de los ordenadores cuánticos. A diferencia de los códigos binarios utilizados por las computadoras convencionales, que son 0 o 1, los qubits pueden existir en el estado 0 y 1 al mismo tiempo. Esta incertidumbre proviene de la superposición cuántica en física: un sistema cuántico puede existir en múltiples estados cuánticos separados al mismo tiempo.

Si quieres entender mejor la superposición cuántica, tienes que mencionar al gato "vivo y muerto" del famoso físico cuántico Schrödinger.

El gato de Schrödinger es en realidad un experimento mental. Se supone que se mantiene a un gato en una habitación sellada con una botella de vidrio que contiene un gas altamente tóxico y una caja que contiene átomos radiactivos encima de la botella. Los átomos radiactivos tienen una cierta probabilidad de desintegrarse. También hay un mecanismo en la caja que detecta si los átomos radiactivos se han desintegrado. Si se pudre, el mecanismo controlará un martillo para romper la botella de vidrio, liberando gas venenoso y matando al gato.

Pero surge un problema: Suponiendo que la caja en la que se guarda al gato sea opaca e insonorizada, es imposible saber si el gato está vivo o muerto sin abrir la caja. Si le preguntaras a un gato si está vivo o muerto, ¿qué responderías? Sin abrir la caja, sólo se puede inferir que el gato puede estar vivo o muerto.

Así que ahora la caja contiene un gato "vivo y muerto". Aunque no encontramos tales "gatos fantasmas" en la vida real, existe una situación similar con los qubits. Los qubits pueden tener dos o más estados múltiples (estados de superposición) al mismo tiempo. Este fenómeno es la superposición cuántica.

La forma de romper el estado de superposición es medir. Por ejemplo, sabemos si un gato vive o muere cuando abrimos una caja. Debido a que hemos obtenido un determinado resultado (ya sea muerto o vivo), el estado de superposición ya no existe. La descripción física es que el estado de superposición colapsa en un determinado estado cuántico. Este proceso de abrir la caja es medición.

El proceso de cálculo de un ordenador cuántico consiste en medir qubits para que sus estados cuánticos colapsen hasta 0 o 1. Esto hace que las computadoras cuánticas sean muy diferentes de las computadoras e incluso de las supercomputadoras con las que entramos en contacto en nuestra vida diaria. Cada bit (byte) de una computadora común solo puede almacenar dos estados posibles: 0 o 1. Pero las computadoras cuánticas son diferentes. Debido a la superposición cuántica, cada qubit puede teóricamente almacenar dos estados de 0 o 1 al mismo tiempo, lo que hace que los qubits tengan mayor capacidad de almacenamiento de información que los bits. Por ejemplo, dado que 2 elevado a la octava potencia es igual a 256, una computadora binaria de 8 bits puede representar cualquier número entre 0 y 255. Pero una computadora cuántica con 8 qubits puede representar todos los números entre 0 y 255 simultáneamente.

Los ordenadores cuánticos consiguen la función de almacenar grandes cantidades de información al mismo tiempo mediante la superposición cuántica. Por lo tanto, pueden almacenar rápidamente grandes cantidades de datos, explorar múltiples posibilidades y elegir la solución más eficaz al abordar tareas complejas.

La construcción de ordenadores cuánticos se enfrenta a enormes retos

Aunque el concepto de qubits es abstracto, los ordenadores cuánticos no son ilusorios. Los fundamentos teóricos para construirlos están establecidos, pero su realización presenta un desafío enorme.

Los Qubits son esencialmente superposiciones de partículas subatómicas, como electrones, iones unidos o fotones. Los cambios sutiles en el entorno alrededor del qubit, como vibración, campo eléctrico, campo magnético, radiación cósmica, etc., pueden ingresar energía al qubit, provocando que el estado de superposición colapse y provocando que el qubit falle. Por lo tanto, los qubits deben sellarse en un ambiente de vacío extremadamente frío para minimizar cualquier interferencia. Éste es el enorme desafío al que se enfrenta la construcción de ordenadores cuánticos.

Precisamente porque es muy difícil mantener el estado de superposición de los qubits, los más pequeños cambios ambientales pueden provocar el colapso del estado de superposición, provocando errores de cálculo. Por lo tanto, el mundo aún no ha podido construir una computadora cuántica que esté libre de errores y tenga una amplia gama de usos.

El enorme potencial de los ordenadores cuánticos también está relacionado con otro concepto famoso de la mecánica cuántica, el "entrelazamiento cuántico", es decir, los bits cuánticos individuales pueden unirse entre sí mediante el entrelazamiento cuántico.

En pocas palabras, cuando dos partículas cuánticas se entrelazan, sus estados cuánticos son los mismos. Cambiar cualquier propiedad del estado cuántico de cualquier partícula cambiará instantáneamente el estado de la otra partícula, incluso si están a miles de kilómetros de distancia. Einstein llamó a esta conexión ineludible "acción espeluznante a distancia".

Los qubits entrelazados no sólo pueden cifrar la mensajería instantánea sino también aumentar exponencialmente el rendimiento de los ordenadores cuánticos. Por ejemplo, una computadora cuántica con 8 qubits puede representar simultáneamente todos los números entre 0 y 255, y eso solo si los 8 qubits existen de forma independiente. Si se enredan entre sí o con otros qubits... el número que todo el sistema entrelazado puede representar estará mucho más allá de la imaginación de la gente.

Y este es el encanto sumamente atractivo de los ordenadores cuánticos. Aunque las computadoras cuánticas todavía están en su infancia, una vez que puedan aplicarse a gran escala, seguramente desencadenarán una revolución disruptiva. (Wu Changfeng)

Editor responsable: Xiaoyun