La gran promesa de la computación cuántica es la posibilidad de realizar cálculos de una complejidad tal que no puede ser asumida por los ordenadores convencionales. Los físicos saben desde hace tiempo que un ordenador cuántico de sólo 50 cúbits podría derrotar incluso a las supercomputadoras más poderosas del mundo.

Pero superar los límites de la computación convencional, lograr la supremacía cuántica, como lo llaman los físicos, está siendo ser más difícil de lo esperado. Los estados cuánticos son muy delicados: un estornudo y desaparecen. Por este motivo los físicos se han visto empantanados ante las dificultades prácticas de aislar del mundo exterior a los ordenadores cuánticos y su maquinaria de procesamiento. Como resultado, la supremacía cuántica parece estar tan lejos como siempre.

Pero puede haber otra manera de demostrar la supremacía cuántica que no requiera un ordenador cuántico general para ejecutar varios algoritmos cuánticos. En su lugar, los físicos han empezado a jugar con sistemas cuánticos centrados en una única tarea. Si pueden demostrar que esta tarea supera la capacidad de cualquier computadora convencional, entonces habrán demostrado la supremacía cuántica por primera vez. Lo que no está claro es cómo hacerlo.

El investigador de la Universidad de California Santa Barbara (EEUU)  Charles Neill y el de Google Pedram Roushan, afirman que saben cómo lograr la supremacía cuántica, y han demostrado con éxito por primera vez una prueba de concepto de la máquina. Su trabajo plantea la posibilidad de que sólo falten unos meses para la primera demostración de la supremacía cuántica.

Primero algunos antecedentes. La gran ventaja de los cúbits sobre los bits ordinarios es que pueden existir en una superposición de estados. Así, mientras que un bit ordinario puede ser un 1 o un 0, un cúbit puede ser un 1 y 0 al mismo tiempo. Esto significa que dos cúbits pueden representar cuatro números al mismo tiempo, tres cúbits pueden representar ocho números, y, nueve cúbits, 512 números simultáneamente. En otras palabras, su capacidad aumenta exponencialmente.

Por eso no hacen falta muchos cúbits para superar a los ordenadores convencionales. Con sólo 50 cúbits se pueden representar 10.000.000.000.000.000 números. Una computadora clásica requeriría del orden de un petabyte de memoria para almacenar ese número.

Así que una manera de alcanzar la supremacía cuántica es crear un sistema que pueda soportar 49 cúbits en una superposición de estados. Este sistema no necesita realizar cálculos complejos, solo tiene que ser capaz de explorar de manera fiable el espacio completo de una superposición de 49 cúbits. Así que la meta de Neill y Roushan es crear una superposición de 49 cubits.

Es más fácil decirlo que hacerlo. Pero el trabajo que acaban de presentar es una demostración de prueba de concepto. Su enfoque es sencillo. Los cúbits son objetos cuánticos que pueden existir en dos estados al mismo tiempo, y hay muchas maneras de hacerlos. Por ejemplo: los fotones pueden ser polarizados tanto vertical como horizontalmente al mismo tiempo; los núcleos atómicos pueden girar con su eje hacia arriba y hacia abajo al mismo tiempo; los electrones pueden viajar a lo largo de dos trayectorias al mismo tiempo. Los físicos están experimentando con todos estos sistemas para la computación cuántica.

Pero Neill y Roushan han elegido otra ruta. Su sistema cuántico se basa en un cúbit superconductor. En esencia se trata de un bucle de metal enfriado a baja temperatura. Si se establece una corriente que fluya a través de este bucle, fluirá para siempre; un fenómeno cuántico conocido como superconductividad.

Esta naturaleza cuántica permite un pequeño truco: la corriente puede fluir en una dirección y en la otra al mismo tiempo. Y esto es lo que le permite actuar como un cúbit que puede representar simultáneamente un 0 y un 1.

La gran ventaja de los cúbits superconductores es que son relativamente fáciles de controlar y medir. También se pueden vincular entre ellos si se colocan varios bucles uno al lado del otro en un chip. Esta vinculación entre los vecinos es más difícil y requiere de otro truco. El flujo de corriente en una dirección u otra es sólo una configuración de baja energía. Pero es posible añadir más energía y otros estados. Son estos estados de energía superior los que pueden interactuar entre sí, creando superposiciones mayores. De esta manera, los bucles vecinos pueden compartir un mismo estado mucho más complejo.

El experimento de prueba de concepto que Neill, Roushan y sus colaboradores han logrado consiste en hacer un chip con nueve lazos vecinos y mostrar que los cúbits superconductores que soportan pueden representar 512 números simultáneamente.

No es ni de cerca el número de cúbits necesarios para la supremacía cuántica, pero el experimento parece sugerir que será posible.

El gran temor entre los físicos es que no son sólo los números, sino también los errores, los que aumentan exponencialmente en estos sistemas cuánticos. Si los errores aumentan con demasiada rapidez, inundarán el sistema, haciendo imposible la supremacía cuántica.

El resultado clave de este experimento es mostrar que los errores no escalan rápidamente en estos chips superconductores. En cambio, la investigación demuestra que los errores aumentan lentamente, de una manera que debería permitir la superposición significativa de hasta 60 cúbits. "Estos resultados proporcionan indicios prometedores de que la supremacía cuántica puede ser alcanzable con la tecnología existente", dicen los investigadores.

Es un trabajo interesante. Se sugiere claramente que la supremacía cuántica debería ser posible con un chip que tenga 50 bucles superconductores en lugar de sólo nueve. Hacer un chip de este tipo debería ser sencillo; de hecho, es difícil no pensar que el equipo no está trabajando ya en uno.

Con una salvedad importante. Un chip de 50 cúbits solo será posible si los errores continúan escalando tal y como demuestra la investigación. Y eso plantea una pregunta importante. El equipo afirma que los errores escalan a medida que el número de cúbits aumenta de cinco a nueve. Pero, ¿escalarán de la misma manera los errores según aumenten los cúbits de nueve a 50?

Si no lo hacen, la supremacía cuántica está aún muy lejos. Pero si lo logran, este equipo espera proclamar la supremacía cuántica en los próximos meses. Así que Neill, Roushan y su equipo estarán ahora mismo trabajando duro para responder esa pregunta. Esperamos poder contar sus resultados.

Ref: arxiv.org/abs/1709.06678: A Blueprint for Demonstrating Quantum Supremacy with Superconducting Qubits