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As?? es el ordenador cu?ntico de 49 Qubits de Intel por dentro

En los ?ltimos meses, t?rminos como IA o Quantum Computing han ido saliendo de los laboratorios y centros de investigaci?n y calando entre la opini?n p?blica de un modo medi?tico y efectivo. T?rminos t?cnicos como Machine Learning o Deep Learning se manejan de un modo casi podr?amos decir que com?n en c?rculos no especializados. Y?lo mismo empieza a suceder con los ordenadores cu?nticos...

 
 

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La computaci?n cu?ntica no es realmente tan reciente.?Ya en los a?os 50 f?sicos como Richard Feynman hablaron del potencial de la computaci?n cu?ntica. En los a?os 80 se afianz? esta tendencia y en 2011 se empezaron a ver los primeros desarrollos tangibles de ordenadores cu?nticos, aunque no ser?a hasta 2015 cuando se empezaron a construir los primeros ordenadores cu?nticos funcionales para empezar a desarrollar una plataforma computacional estable y programable.

Intel y QuTech

Precisamente?fue en 2015 cuando Intel anunci? su intenci?n de invertir 50 millones de d?lares en QuTech, el instituto de investigaci?n cu?ntica dentro de la Delft University of Technology (TU Delft) y TNO. El acuerdo de colaboraci?n es por un periodo de 10 a?os, y el objetivo es el de sentar las bases de un paradigma computacional capaz de resolver problemas que, con la tecnolog?a actual ser?an imposibles de resolver.

Los avances en este campo, por mucho que ya haya anuncios sobre ordenadores cu?nticos con 17 o 49 qubits (un qubit es la unidad operacional b?sica de un ordenador cu?ntico), son lentos. Y la visita a los laboratorios de la Universidad de Delft que hemos tenido la ocasi?n de realizar,?deja claro que no habr? un ordenador cu?ntico comercial como tal en muchos a?os. Pero tambi?n deja claro que estamos ante una tecnolog?a extremadamente interesante y en la que hay excelentes profesionales trabajando para solventar los retos que la computaci?n cu?ntica plantea.

En los laboratorios?tuvimos como gu?as a Lieven Vandersypen, uno de los investigadores m?s relevantes en computaci?n cu?ntica del momento, y a James Clarke, Director of Quantum Hardware en Intel. Con ellos tuvimos la ocasi?n de conversar media hora, antes de hacer un tour de otra media hora por los laboratorios propiamente dichos.

?Qu? es un computador cu?ntico?

B?sicamente esa es la pregunta del mill?n. Con los ordenadores cl?sicos tenemos bits, bytes, megas, programas, desarrolladores, algoritmos, procesadores, memoria, tarjetas gr?ficas, almacenamiento. Hablamos de ceros y unos como si realmente tuvi?ramos ceros y unos movi?ndose gr?cilmente dentro de los chips de silicio que funcionan a varios gigahercios de ?velocidad?. Podemos escribir un programa de ordenador b?sicamente moviendo ?cajas? y conect?ndolas en entornos de desarrollo visuales como Scratch.?Hemos conseguido abstraer la parte f?sica que subyace a todos estos conceptos de alto nivel. Porque un uno y un cero no son tales: son niveles de voltaje. Y las cajas de c?digo que movemos y conectamos en Scratch, en un procesador se traducen en operaciones matem?ticas que siguen la l?gica de Boole.

En los primeros tiempos de la inform?tica que conocemos, los ordenadores no se programaban con lenguajes de programaci?n, los valores de los registros binarios se cargaban mediante tarjetas perforadas. Y los resultados de las operaciones no aparec?an en una pantalla, sino que?ten?an que ser le?dos directamente a partir de los registros binarios en el propio ordenador.

En la computaci?n cu?ntica se est? un poco como en esos primeros tiempos de la inform?tica cl?sica. Pero aqu? no tenemos valores de voltajes para los registros binarios, sino estados cu?nticos que ?suceden? en los qubits. Esos qubits no se caracterizan por su voltaje como en los ordenadores binarios, sino por su estado cu?ntico asociado a propiedades tales como el spin de un electr?n.

Adem?s, en un ordenador binario estamos limitados a trabajar con un n?mero de bits que ha ido pasando de 8 a 16, de 16 a 32 y de 32 a 64 bits En un ordenador binario de ?n? bits se opera con ?n? bits a la vez,?pero en un ordenador cu?ntico de ?n? qubits tenemos 2 elevado a n estados con los que se pueden realizar operaciones ?cu?nticas??en el proceso de ejecuci?n de un algoritmo en un ordenador cu?ntico.

Es decir,?en un ordenador cu?ntico se trabaja con conceptos, algoritmos y tecnolog?as completamente diferentes a los que se usan en un ordenador binario. Propiedades de la mec?nica cu?ntica como superposici?n, entrelazamiento e interferencia se usan en un ordenador cu?ntico para manejar los estados de los qubits y recrear las operaciones necesarias para procesar algoritmos. Actualmente, un aspecto especialmente relevante en el que se est? trabajando en el laboratorio de Delft es en la correcci?n de errores. Sin un sistema que sea capaz de corregir errores derivados de la naturaleza de los estados cu?nticos, poco se podr? avanzar en este campo.

En la computaci?n binaria tradicional,?los sistemas de correcci?n de errores est?n integrados en la arquitectura de los procesadores y los sistemas de comunicaciones, incluyendo las conexiones de Internet. Y sin ellos no ser?an posibles ni los ordenadores, ni Internet ni las comunicaciones m?viles.

Temperaturas m?s bajas que en el espacio

De momento, los ordenadores cu?nticos con los que se trabaja en los laboratorios de Delft manejan un m?ximo de 49 qubits.?Es un n?mero suficiente como para que, en teor?a, pueda superar en capacidad de resoluci?n de problemas a los superordenadores m?s potentes del momento. La complicaci?n estriba en las condiciones que se necesitan para que los qubits funcionen de un modo suficientemente predecible. As?, la temperatura tiene que ser extremadamente baja para evitar que la energ?a t?rmica haga que los qubits cambien de estadio espont?neamente.

La forma de ?controlar? a los qubits?es a trav?s de microondas. Con frecuencias espec?ficas, se pueden ?inyectar? los estados en los qubits de modo que a trav?s de los algoritmos adecuados y usando las propiedades de superposici?n, entrelazamiento e interferencia, se puedan resolver problemas complejos en los que hay que hay que manejar magnitudes exponenciales.

En un procesador cu?ntico como los que usa Intel en los laboratorios de Delft,?la parte visible son decenas de conectores coaxiales?a trav?s de los cuales se inyectan las microondas que hacen que los qubits se ?programen? en un estado inicial. A diferencia de un ordenador binario, en un ordenador cu?ntico se opera con 2 elevado a n estados al mismo tiempo, De este modo, problemas como el de factorizar n?meros, que en un ordenador binario pueden tardar en solucionarse millones de a?os, en un ordenador cu?ntico puede tardar segundos en resolverse.

En un momento del proceso de resoluci?n de un problema, se necesita ?leer? es estado de los qubits. Una operaci?n delicada en la que intervienen c?lculos de probabilidades y?en la que hay que manejar un par?metro delicado: la decoherencia cu?ntica. Los estados cu?nticos no se mantienen m?s que por un periodo de tiempo dado, y es el que se tiene para realizar operaciones con los qubits.

C?mo es un ordenador cu?ntico por dentro

En un ordenador cu?ntico?no tenemos memoria, ni disco duro. Tan s?lo tenemos un procesador al que se hacen llegar las se?ales de microondas necesarias para gestionar los estados de los qubits. El recept?culo donde se enfr?a al procesador es el componente m?s llamativo y est? compuesto por diferentes niveles de enfriamiento hasta llegar a la zona donde trabaja el procesador. En la visita a la Universidad de Delft pudimos ver las "tripas" de un ordenador cu?ntico, y es completamente diferente a los ordenadores de ahora.

El cero absoluto est? en los -273,15 grados cent?grados que son 0 grados Kelvin.?Este ordenador cu?ntico trabaja a 20 milikelvin (unos -273 grados cent?grados). El sistema de control est? en una sala en el piso de arriba justo encima del laboratorio donde est?n los sistemas de refrigeraci?n y el ordenador cu?ntico propiamente dicho. La sala de control est? compuesta, b?sicamente, de generadores de se?ales de microondas y sistemas para ?leer? el estado de los qubits, as? como equipos de computaci?n convencional para llevar cuenta de los resultados.

El sistema de control, a d?a de hoy?consiste en equipos para generar las se?ales de microondas que llegar?n a los qubits del chip cu?ntico, recreando estados cu?nticos, as? como sistemas para identificar (leer) los estados cu?nticos. En el chip se usan los fundamentos de mec?nica cu?ntica para gestionar los estados en los qubits, tales como superposici?n, interferencia y enlazamiento, para "ejecutar" los algoritmos capaces de obtener resultados relevantes al operar sobre el n?mero exponencial de estados con los que se cuenta en un chip cu?ntico. Es una forma de paralelizar las operaciones de un modo extremo, comparado con la forma de trabajar de un ordenador binario.

En la foto vemos a James Clarke sosteniendo?el chip cu?ntico de 49 qubits de Intel en el momento de "pincharlo" en la "placa base" del ordenador cu?ntico. Cada conector del chip lleva se?ales de microondas a los qbits, al tiempo que se cuenta tambi?n con sistemas para "leer" los estados. de los qubits.

Este "cilindro" se introduce?en los sistemas de refrigeraci?n extrema donde se alcanzan las temperaturas de 20 mili Kelvin. La temperatura disminuye por niveles hasta llegar al del chip donde es m?nima.

En la pr?ctica, un ordenador cu?ntico no tiene ni disco duro, ni memoria RAM, ni gr?ficos. Es un sistema puramente computacional en el que, de momento, no hay entornos de desarrollo, ni compiladores, ni lenguajes de programaci?n. Parte del trabajo en Delft?es miniaturizar los sistemas de control y generaci?n de se?al y ofrecer una plataforma completa en la que haya entornos de codificaci?n de alto nivel?que no precisen de una conversi?n manual de los datos de un problema computacional en frecuencias de microondas generadas por generadores de se?al tan voluminosos y aparatosos como los actuales.

Todo el entorno de la foto anterior est? dedicado a generar las se?ales de microondas que definen los estados de los qubits,?los leen y definen los diferentes modos de interacci?n entre los qubits a trav?s de interferencia, superposici?n y enlazamiento, de modo que haya un conjunto de operaciones cu?nticas que permitan ejecutar algoritmos capaces de resolver problemas computacionales. En vez de l?gica booleana, tenemos "l?gica cu?ntica". Y en vez de operar secuencialmente sobre grupos de "n" bits, se opera en paralelo sobre 2 elevado a "n" estados. En el caso de los ordenadores binarios, "n" es t?picamente 64, aludiendo al n?mero de bits con los que se opera. En un ordenador cu?ntico, "n" es el n?mero de qubits.

Este ordenador cu?ntico, en la actualidad, tiene, entre otras misiones,?ser el escenario para encontrar m?todos de correcci?n de errores que permitan trabajar con los qubits durante tiempos prolongados. Los estados cu?nticos no se mantienen estables durante mucho tiempo. Si el estado se modifica durante la ejecuci?n de un algoritmo, el resultado ser? err?neo.

De momento, hay un n?mero limitado de algoritmos capaces de funcionar en un ordenador cu?ntico, pero los que hay,?demuestran que el potencial de c?lculo de este tipo de ordenadores es exponencialmente mayor?que la capacidad de los ordenadores binarios cl?sicos.

A?n quedan muchos a?os de trabajo antes de que la computaci?n cu?ntica impacte en nuestras vidas de un modo pr?ctico. Pero?los investigadores son optimistas acerca de la resoluci?n de los retos a los que se enfrentan.

Hay aspectos que?tambi?n mejoran con la computaci?n cu?ntica. As?, un superordenador de ahora, tiene consumos energ?ticos del orden de los Mega Vatios. El computador cu?ntico de Delft, con 59 qubits, dif?cilmente emulables por uno de estos superordenadores, consume unos 10 Kilo Vatios. La reducci?n de consumo energ?tico es notable.

La computaci?n cu?ntica suma, no reemplaza?La computaci?n cu?ntica no est? llamada a reemplazar a los ordenadores actuales. Todo lo contrario: la computaci?n cu?ntica y la binaria o booleana est?n destinadas a entenderse y complementarse. As?,?la computaci?n cu?ntica puede verse como un recurso para acelerar ciertos algoritmos y c?lculos concretos, que en computaci?n cl?sica se tardar?a millones de a?os en procesar y en computaci?n cu?ntica se tarda minutos en procesar.

Las operaciones tienen lugar en el espacio de los estados exponenciales con los que se puede trabajar simult?neamente, siendo imposible realizar operaciones de copiado o almacenamiento. Hay estados cu?nticos que se inducen y otros que se leen.?El resultado son valores concretos y tangibles aptos para su uso en los sistemas de computaci?n cl?sicos. La diferencia es que estos resultados tardar?amos millones de a?os en obtenerlos usando l?gica binaria, y minutos usando "l?gica cu?ntica".

Quantum Internet: el enlazamiento aplicado a las comunicaciones

Otro campo de investigaci?n que tiene lugar en Delft,?es el del Internet Cu?ntico. Se trata de aprovechar una de las propiedades de la mec?nica cu?ntica que dice que si dos part?culas est?n "enlazadas" cu?nticamente, al modificar el estado de una, el estado de la otra cambiar? tambi?n, independientemente de la distancia a la que se encuentren.

Es una propiedad que es real y tangible y que trasciende el razonamiento l?gico, pero que?puede usarse para definir canales de comunicacionessin m?s que entrelazar part?culas alejadas de modo que se puedan cambiar los estados para transmitir informaci?n. La ventaja es que estos canales de comunicaci?n no se pueden piratear ni interceptar. De todos modos, de igual modo que sucede con los ordenadores cu?nticos, a?n queda mucho para que veamos usos pr?cticos y comerciales.

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