DARPA prueba las capacidades de la computación cuántica

La Defense Advanced Research Projects Agency (Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa del Pentágono) ha financiado recientemente la segunda fase de un proyecto de computación cuántica cuyo objetivo es ampliar la utilidad de la tecnología emergente, según uno de los investigadores principales del proyecto.

La segunda fase del proyecto, dirigido por el Instituto de Investigación de Georgia Tech, ha supuesto una financiación total de 9,2 millones de dólares para que los científicos realicen más experimentos con un sistema de computación cuántica configurado para poder encadenar más unidades de cálculo que nunca.

El proyecto de la DARPA –Optimization with Noisy Intermediate-Scale Quantum devices– tiene como objetivo «demostrar la ventaja cuantitativa del procesamiento de la información cuántica al superar el rendimiento de los sistemas sólo clásicos en la resolución de retos de optimización».

El investigador Creston Herold dijo que uno de los problemas clásicos de optimización que podrían resolver los sistemas de computación cuántica es el llamado vendedor ambulante.

«Uno de los más famosos es este problema del vendedor ambulante, en el que se tiene una lista de direcciones a las que hay que llevar un camino y paquetes para su entrega, por ejemplo», dijo. «Y quieres encontrar la ruta más eficiente, ya sea en tiempo o en distancia recorrida, o en el menor número de giros a la izquierda realizados, o en el menor uso de gasolina».

Este tipo de problema aparece en una amplia variedad de cuestiones logísticas en defensa y otros asuntos gubernamentales, señaló.

Los ordenadores cuánticos usan unidades básicas conocidas como qubits en lugar de 1s y 0s como los ordenadores tradicionales. Su potencia de cálculo se debe a la posibilidad de que cada qubit sea 1 y 0 simultáneamente, en lugar de limitarse a uno u otro. Como resultado, un ordenador cuántico podría ejecutar algoritmos más complicados y funcionar mucho más rápido que un ordenador tradicional.

Esta investigación pretende ir más allá de la mayoría de los avances en computación cuántica realizados hasta ahora, explicó Herold. Los ordenadores cuánticos existen hoy en día, pero son tan grandes como los primeros ordenadores tradicionales y aún no han desarrollado la potencia de cálculo necesaria para rivalizar con sus homólogos convencionales.

Aunque la mayoría de los sistemas de computación cuántica usan trampas magnéticas para aislar los iones, uno de los investigadores del equipo, Brian McMahon, desarrolló una configuración «única» optimizada para un proceso más eficiente.

El proceso de atrapamiento -llamado trampa Penning– emplea una combinación de campo magnético y campo eléctrico para confinar cristales de iones bidimensionales que realizan operaciones cuánticas.

«El uso de las tierras raras está en realidad en los imanes permanentes, que forman la trampa», dijo Herold. «Hay imanes como el neodimio o el samario cobalto. Son imanes muy, muy fuertes».

Según el equipo, la trampa utiliza estos metales de tierras raras en lugar de «voluminosos imanes superconductores criogenizados».

El equipo ya ha realizado 18 meses de pruebas y experimentos. Durante ese tiempo, los investigadores han construido una cadena de iones de la longitud de 10 qubits. Un qubit es una de las unidades más pequeñas de un sistema de computación cuántica.

Herold dijo que la construcción de los cimientos de la investigación con la cadena corta es un comienzo para la investigación, pero en última instancia irá mucho más allá.

«Realmente se trataba de probar el esquema de control y demostrar que esta forma de operar el dispositivo resolvería estos problemas como se esperaba», dijo.

Si se añaden miles de sistemas cuánticos más a la cadena, el ordenador calculará soluciones más precisas, explica Herold. Sin añadir muchos más sistemas, el ordenador cuántico tendría aproximadamente la misma potencia que una máquina clásica, dijo.

«Al principio del proyecto, sabíamos que necesitaríamos cientos de qubits para mover realmente la aguja en la resolución de un problema importante», dijo. «Todavía podemos simular todo lo que ocurre en un dispositivo cuántico, y es demasiado pequeño para atacar un problema de optimización lo suficientemente grande como para que no conozcamos la respuesta fácilmente».

Pero eso no significa que la informática tradicional no desempeñe un papel en el proyecto. Los investigadores están utilizando hardware de computación clásica para guiar al hardware cuántico hacia un mejor punto de partida, de modo que el sistema no tenga que comprobar todas las soluciones posibles.

«La naturaleza clásica es que estamos usando un proceso clásico para supervisar el hardware cuántico y decidir qué hacer a continuación», dijo Herold.

Por muy prometedor que resulte el proyecto hasta ahora, los investigadores siguen enfrentándose a enormes desafíos técnicos. Por ejemplo, cuanto más complejo sea el sistema cuántico, más probable será que tenga una tasa de error significativa causada por el «ruido», término que significa interferencia con el estado de los qubits en el ordenador cuántico.

El equipo de investigación incluye a científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, que están aprovechando un superordenador para trazar el mejor camino para minimizar el ruido en el sistema cuántico a medida que se amplía.

«Con el hardware cuántico, siempre estamos luchando contra el ruido y, en algún momento, habrá demasiados errores y no podremos ampliar el hardware», afirma Herold.

Aunque parte de la investigación consiste en encontrar la forma de mitigar los errores, la cantidad de ruido acabará limitando la longitud de la cadena de qubits y, por tanto, la complejidad del sistema, explicó.

Sin embargo, si los investigadores consiguen encontrar soluciones a estos retos para los experimentos, los resultados serán significativos en todas las industrias, dijo Herold.

«Este proyecto demostrará que colecciones más grandes de qubits pueden resolver problemas de optimización y de una manera mejor de lo que sabemos ahora, y eso tendría un impacto realmente transformador en la forma de resolver estos problemas», dijo.

Fte. National Defense