NSA y el US Army investigan sistemas cuánticos más avanzados y menos ruidosos

A través de un nuevo y extenso comunicado de la National Security Agency (NSA), ambas organizaciones solicitan propuestas que ayuden a identificar la magnitud y el tipo de errores que afectan a la computación cuántica.

A medida que aumenta la potencia y los qubits en los sistemas de computación cuántica, también aumenta la necesidad de contar con capacidades de vanguardia, para asegurarse de que funcionen. La Oficina de Investigación del Ejército y la Agencia de Seguridad Nacional se unieron recientemente para solicitar propuestas de investigación que puedan ayudar a hacer exactamente eso.

Estas entidades emitieron a finales de diciembre un amplio anuncio para impulsar el desarrollo de técnicas y protocolos innovadores que permitan la Caracterización, Verificación y Validación Cuántica o QCVV de sistemas cuánticos de escala intermedia. La QCVV es esencialmente la ciencia de la cuantificación de la capacidad de un ordenador cuántico para ejecutar algoritmos cuánticos, y los expertos están de acuerdo en que es un paso necesario hacia la computación cuántica útil.

«Estos nuevos métodos se consideran los próximos avances, que permitirán a la comunidad de la informática cuántica interpretar y evaluar de forma fiable los sistemas cuánticos emergentes de mayor escala», dijeron los responsables en la convocatoria.

Los ordenadores tradicionales se sirven de entradas, instrucciones y salidas que son todas secuencias de 1 y 0 y que se denominan individualmente «bits», pero los ordenadores cuánticos utilizan bits cuánticos o «qubits». Las unidades de información cuántica pueden asumir otros valores de cálculo complejos fuera de los 0 y los 1, y ofrecen un conjunto avanzado de posibilidades de cálculo.

Jacob Farinholt, un científico cuántico de Booz Allen Hamilton, dijo a Nextgov esta semana que, en los sistemas de computación clásicos, el ruido se revela como algo «tan simple como un pequeño giro, o tal vez un bit perdido aquí y allá». Pero uno de los aspectos más poderosos de la computación cuántica es el hecho de que los recursos cuánticos crecen exponencialmente con el número de qubits, por lo que en los sistemas cuánticos también hay un flujo de posibles errores que pueden ocurrir. Esto significa que la más mínima perturbación puede propagarse a lo largo del cómputo y destruir rápidamente cualquier información en el sistema. Para poder eliminar ese ruido, los expertos primero deben caracterizarlo, de ahí la «C» en QCVV. En relación con esto, la verificación y validación, o la «V», se refiere a los métodos para asegurar que los sistemas de computación cuántica fueron diseñados correctamente y funcionan como se espera. Estos desafíos son igualmente difíciles, según Farinholt.

«Encontrar métodos novedosos para caracterizar estos sistemas ruidosos, a medida que crecen en tamaño, sigue siendo un desafío significativo que requerirá algunas soluciones bastante novedosas», dijo. «La evaluación por fuerza bruta de todos los cálculos posibles con todos los estados de entrada posibles es, por supuesto, inviable, por lo que se requiere el diseño de enfoques novedosos que nos permitan inferir la información que necesitamos para realizar la verificación y validación con recursos finitos».

En la solicitud, se piden soluciones de QCVV para «sistemas de escala intermedia de tamaño 10-20 qubits y sistemas más grandes de más de 20 qubits». Los conocimientos podrían ayudar a preparar el camino para la computación cuántica tolerante a los fallos y los sistemas que pueden soportar mejor los errores insignificantes. Las agencias planean hacer adjudicaciones sujetas a la disponibilidad de créditos a través de contratos de adquisición, subvenciones, acuerdos de cooperación y otras transacciones para prototipos. Se invita a las partes interesadas a presentar libros blancos sobre sus posibles propuestas antes del 28 de enero, y las propuestas formales deben ser enviadas antes del 17 de marzo.

Las agencias están aceptando propuestas en dos categorías en el espacio: QCVV integrado teórico y experimental de escala intermedia, y enfoques teóricos novedosos para QCVV de escala intermedia. Mientras que la primera categoría involucra la investigación en una especie de colaboración intensa entre la teoría y el experimento, la segunda se centra en el desarrollo de nuevos métodos escalables que serán implementables en sistemas mucho más grandes. «Las dos categorías juntas indican un claro y agresivo intento de llevar a cabo y de hacer una rápida transición de esta investigación a las tecnologías de computación cuántica existentes y futuras», señaló Farinholt.

No hay criterios para la participación en los costes, por lo que ambas buscan solicitantes de organizaciones sin fines de lucro, pequeñas y grandes empresas e instituciones de educación superior extranjeras y nacionales.

Y aunque es incipiente el proceso, la comunidad parece estar comprometida: Nextgov habló con profesores de la Universidad canadiense de Waterloo, que ya se están preparando para preparar su propia presentación. Los expertos cuánticos y los profesores de UWaterloo Joseph Emerson y Joel Wallman explicaron que la mayor parte de la investigación del QCVV hasta la fecha se ha centrado principalmente en la caracterización de los mecanismos de error de uno y dos qubits debido a la gran variedad de mecanismos de error en los sistemas, y al hecho de que la mayoría de los sistemas cuánticos experimentales que se encuentran actualmente en los laboratorios tienen uno o dos qubits. Wallman señaló que los ordenadores cuánticos sólo pueden exhibir una ventaja computacional significativa si hay más de 50 qubits, aunque se desconoce el número exacto.

«La BAA espera redirigir el campo para centrarse en sistemas más grandes, en los que se requieren técnicas novedosas para diseñar y luego caracterizar mecanismos de ruido más simples», dijo. «Este enfoque en sistemas más grandes es crucial en la búsqueda para construir sistemas más grandes, porque hay muchos efectos sutiles que surgen cuando se controlan los sistemas cuánticos, por lo que necesitamos buenos diagnósticos para averiguar cómo controlar de forma práctica estos ordenadores cuánticos a gran escala».

En 2013, Wallman y Emerson respondieron a un anuncio anterior de la agencia de investigación del Ejército (ARO, en sus siglas en inglés), relacionado con el QCVV: éste se centraba en «herramientas de QCVV que ayudarán a los investigadores, a medida que los experimentos comenzarán a incorporarse en el orden de los diez qubits físicos». Recibieron financiación y más tarde cofinanciaron una empresa de nueva creación, que vende software para implementar métodos de caracterización cuántica, que inventaron a través de su investigación impulsada por ARO.

Emerson, que cuenta con más de dos décadas de experiencia centrada en el tema cuántico, señaló que todavía existen algunos retos de tecnología profunda muy significativos «en los que no conocemos el camino a seguir para llegar a la computación cuántica verdaderamente disruptiva». Una gran parte de la experiencia cuántica se encuentra en el mundo académico y en la industria, por lo que los esfuerzos vigorizantes a través de solicitudes como la nueva BAA podrían impulsar los avances cuánticos y estimular los impactos económicos.

«Creo que es estupendo que tengamos esfuerzos interdisciplinarios a través de todas estas diferentes capas de la sociedad», dijo Emerson.

Farinholt, de Booz Allen, añadió que los conocedores de la industria también están entusiasmados con la idea de que el Ejército se centre en «un área tan crítica de la investigación cuántica». Dijo que el apoyo federal a la computación cuántica demostrará ser crítico para su implementación definitiva y para las aplicaciones a problemas cruciales del mundo real.

«Solicitudes como ésta, que se dirigen a un área significativa de una manera altamente técnica, ayudan a galvanizar a los científicos de Estados Unidos en torno a áreas clave y ayudan a hacernos más fuertes juntos a través de un esfuerzo enfocado», dijo Farinholt. «Estados Unidos debe seguir aprovechando el impulso de las ciencias cuánticas que ya hemos acumulado, lo que se llevará a cabo por medio del apoyo federal continuo, la inversión privada estratégica y el estudio académico».

Fte. Nextgov 

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