Dentro de cómo los ingenieros de IBM están diseñando computadoras cuánticas

Dentro de cómo los ingenieros de IBM están diseñando computadoras cuánticas

Hace unas semanas, me desperté inusualmente temprano en l. a. mañana en Brooklyn, me subí a mi automóvil y me dirigí río arriba por el río Hudson hasta l. a. pequeña comunidad de Yorktown Heights en el condado de Westchester. Allí, en medio de las colinas onduladas y las antiguas granjas, se encuentra el Centro de Investigación Thomas J. Watson, el Diseñado por Eero Saarinen1960 Sede de l. a. generation Jet Age para IBM Analysis.

En lo más profundo de ese edificio, a través de pasillos interminables y puertas de seguridad custodiadas por escáneres de iris, es donde los científicos de l. a. compañía están trabajando arduamente para desarrollar lo que el director de investigación de IBM, Dario Gil, me dijo que es “l. a. próxima rama de l. a. computación”: computadoras cuánticas.

Estuve en el Watson Middle para obtener una vista previa de IBM hoja de ruta técnica actualizada para lograr computación cuántica práctica a gran escala. Esto involucró una gran cantidad de conversaciones sobre “recuento de qubits”, “coherencia cuántica”, “mitigación de errores”, “orquestación de device” y otros temas que necesitaría para ser un ingeniero eléctrico con experiencia en informática y familiaridad con cuántica. Mecánica a seguir completamente.

Yo no soy ninguna de esas cosas, pero tengo observé el espacio de la computación cuántica el tiempo suficiente saber que el trabajo que realizan aquí los investigadores de IBM, junto con sus competidores en compañías como Google y Microsoft, junto con innumerables empresas emergentes en todo el mundo, impulsará el próximo gran salto en l. a. informática. Lo cual, dado que l. a. computación es una “tecnología horizontal que toca todo”, como me dijo Gil, tendrá importantes implicaciones para el progreso en todo, desde la seguridad cibernética para inteligencia artificial para diseñando mejores baterías.

Siempre que, por supuesto, puedan hacer que estas cosas funcionen.

Entrando en el reino cuántico

Los angeles mejor manera de entender una computadora cuántica, aparte de dedicar varios años a l. a. escuela de posgrado en MIT o Caltech, es compararla con el tipo de máquina en l. a. que estoy escribiendo este artículo. en: una computadora clásica.

Mi MacBook Air funciona con un chip M1, que está repleto de 16 mil millones de transistores. Cada uno de esos transistores puede representar el “1” o el “0” de l. a. información binaria al mismo tiempo, un bit. Los angeles gran cantidad de transistores es lo que le da a l. a. máquina su poder de cómputo.

Dieciséis mil millones de transistores empaquetados en un chip de 120,5 mm2 es mucho: TRADIC, l. a. primera computadora transistorizada, tenía menos de 800. Los angeles capacidad de l. a. industria de los semiconductores para diseñar cada vez más transistores en un chip, una tendencia pronosticada por el cofundador de Intel, Gordon Moore, en el ley que lleva su nombrees lo que ha hecho posible el crecimiento exponencial de l. a. potencia informática, que a su vez ha hecho posible casi todo lo demás.

El external de una computadora cuántica IBM Gadget One, como se ve en el Centro de Investigación Thomas J. Watson.
Bryan Walsh/Vox

Pero hay cosas que las computadoras clásicas no pueden hacer y que nunca podrán hacer, sin importar cuántos transistores se metan en un cuadrado de silicio en una planta de fabricación de semiconductores de Taiwán (o “fab”, en l. a. jerga de l. a. industria). Y ahí es donde entran en juego las propiedades únicas y francamente extrañas de las computadoras cuánticas.

En lugar de bits, las computadoras cuánticas procesan información usando qubits, que pueden representar “0” y “1” simultáneamente. ¿Cómo lo hacen? Estás forzando mi nivel de experiencia aquí, pero esencialmente los qubits hacen uso del fenómeno mecánico cuántico conocido como “superposición”, por el cual las propiedades de algunas partículas subatómicas no se definen hasta que se miden. Piensa en el gato de Schrödinger, simultáneamente vivo y muerto hasta que abras su caja.

Un solo qubit es lindo, pero las cosas se vuelven realmente emocionantes cuando comienzas a agregar más. Los angeles potencia informática clásica aumenta linealmente con l. a. adición de cada transistor, pero l. a. potencia de una computadora cuántica aumenta exponencialmente con l. a. adición de cada nuevo qubit confiable. Eso se debe a otra propiedad de l. a. mecánica cuántica llamada “entrelazamiento”, por l. a. que las probabilidades individuales de cada qubit pueden verse afectadas por los otros qubits del sistema.

Todo lo cual significa que el límite awesome de l. a. potencia de una computadora cuántica viable supera con creces lo que sería posible en l. a. informática clásica.

Entonces, las computadoras cuánticas teóricamente podrían resolver problemas que una computadora clásica, sin importar cuán poderosa sea, nunca podría. ¿Qué tipo de problemas? ¿Qué hay de l. a. naturaleza basic de l. a. realidad subject material que, después de todo, en última instancia se basa en l. a. mecánica cuántica, no en l. a. mecánica clásica? (Lo siento, Newton). “Las computadoras cuánticas simulan problemas que encontramos en l. a. naturaleza y en l. a. química”, dijo Jay Gambetta, vicepresidente de computación cuántica de IBM.

Las computadoras cuánticas podrían simular las propiedades de una batería teórica para ayudar a diseñar una que sea mucho más eficiente y poderosa que las versiones actuales. Podrían desenredar problemas logísticos complejos, descubrir rutas de entrega óptimas o mejorar los pronósticos para l. a. ciencia del clima.

Por el lado de l. a. seguridad, las computadoras cuánticas podrían descifrar los métodos de criptografía, lo que podría hacer que todo, desde correos electrónicos hasta datos financieros y secretos nacionales, sea inseguro, razón por l. a. cual l. a. carrera por l. a. supremacía cuántica también es una competencia internacional, una que el El gobierno chino está invirtiendo miles de millones en. Esas preocupaciones ayudaron a impulsar a l. a. Casa Blanca a principios de este mes a publicar un nuevo memorándum diseñar el liderazgo nacional en computación cuántica y preparar al país para las amenazas de seguridad cibernética asistida cuánticamente.

Más allá de los problemas de seguridad, las posibles ventajas financieras podrían ser significativas. Las empresas ya están ofreciendo los primeros servicios de computación cuántica a través de l. a. nube para clientes como Exxon Mobil y el banco español bbva. Si bien el mercado international de computación cuántica valía menos de $ 500 millones en 2020, World Knowledge Company proyectos que alcanzará $ 8.6 mil millones en ingresos para 2027, con más de $ 16 mil millones en inversiones.

Pero nada de eso será posible a menos que los investigadores puedan hacer el arduo trabajo de ingeniería de convertir una computadora cuántica de lo que todavía es en gran medida un experimento científico en una industria confiable.

el cuarto frio

Dentro del edificio Watson, Jerry Chow, quien dirige el centro de computación cuántica experimental de IBM, abrió un cubo de vidrio de 9 pies para mostrarme algo que parecía un candelabro hecho de oro: Sistema cuántico uno de IBM. Gran parte del candelabro es esencialmente un refrigerador de alta tecnología, con bobinas que transportan superfluidos capaces de enfriar el {hardware} a una centésima de grado Celsius por encima del cero absoluto, más frío, me dijo Chow, que el espacio external.

Los angeles refrigeración es clave para que las computadoras cuánticas de IBM funcionen y también demuestra por qué hacerlo es un desafío de ingeniería. Si bien las computadoras cuánticas son potencialmente mucho más poderosas que sus contrapartes clásicas, también son mucho, mucho más delicadas.

¿Recuerdas lo que dije sobre las propiedades cuánticas de superposición y entrelazamiento? Si bien los qubits pueden hacer cosas que ni un poco ni siquiera podrían soñar, l. a. más mínima variación en l. a. temperatura, el ruido o l. a. radiación puede hacer que pierdan esas propiedades a través de algo llamado decoherencia.

Esa refrigeración elegante está diseñada para evitar que los qubits del sistema se descoordinen antes de que l. a. computadora haya completado sus cálculos. Los primeros qubits superconductores perdieron coherencia en menos de un nanosegundo, mientras que las computadoras cuánticas más avanzadas de IBM hoy en día pueden mantener l. a. coherencia hasta 400 microsegundos. (Cada segundo contiene 1 millón de microsegundos).

El desafío que enfrentan IBM y otras compañías es diseñar computadoras cuánticas que sean menos propensas a errores mientras “escalan los sistemas más allá de miles o incluso decenas de miles de qubits a quizás millones de ellos”, dijo Chow.

Eso podría tardar años. El año pasado, IBM presentó Eagle, un procesador de 127 qubits, y en su nueva hoja de ruta técnica, tiene como objetivo presentar un procesador de 433 qubits llamado Osprey a finales de este año, y una computadora de más de 4000 qubits para 2025. En ese momento , l. a. computación cuántica podría ir más allá de l. a. fase de experimentación, CEO de IBM, Arvind Krishna dijo a los periodistas en un evento de prensa a principios de este mes.

Muchos expertos se muestran escépticos de que IBM o cualquiera de sus competidores lleguen allí alguna vez, lo que plantea l. a. posibilidad de que los problemas de ingeniería que presentan las computadoras cuánticas sean simplemente demasiado duro para que los sistemas sean realmente fiables. “Lo que sucedió en l. a. última década es que ha habido una gran cantidad de afirmaciones sobre las cosas más inmediatas que se pueden hacer con una computadora cuántica, como resolver todos estos problemas de aprendizaje automático”, dijo Scott Aaronson, experto en computación cuántica de l. a. Universidad de Texas, me dijo el año pasado. “Pero estas afirmaciones son un 90 por ciento mentiras”. Para cumplir esa promesa, “vas a necesitar un desarrollo revolucionario”.

En un mundo cada vez más virtual, el mayor progreso dependerá de nuestra capacidad para sacar aún más provecho de las computadoras que creamos. Y eso dependerá del trabajo de investigadores como Chow y sus colegas, trabajando arduamente en laboratorios sin ventanas para lograr un nuevo desarrollo revolucionario en torno a algunos de los problemas más difíciles de l. a. ingeniería informática y, en el camino, tratando de construir el futuro.

Una versión de esta historia se publicó inicialmente en el boletín Long term Absolute best. Regístrate aquí para suscribirte!