Durante más de 50 años, La Ley de Moore ha reinado supremamente. La observación de que la cantidad de transistores en un chip de computadora se duplica aproximadamente cada dos años ha marcado el ritmo de nuestra revolución digital moderna:la fabricación de teléfonos inteligentes, posibles computadoras personales y supercomputadoras actuales. Pero la Ley de Moore se está desacelerando. E incluso si no lo fuera Algunos de los grandes problemas que los científicos deben abordar podrían estar fuera del alcance de las computadoras convencionales.

Durante los últimos años, Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han estado explorando un tipo de arquitectura informática drásticamente diferente basada en la mecánica cuántica para resolver algunos de los problemas más difíciles de la ciencia. Con fondos de Investigación y Desarrollo Dirigidos por Laboratorio (LDRD), han desarrollado algoritmos de optimización y química cuántica, así como prototipos de procesadores cuánticos superconductores. Recientemente, demostraron la viabilidad de su trabajo utilizando estos algoritmos en un procesador cuántico que comprende dos bits cuánticos transmon superconductores para resolver con éxito el problema químico de calcular el espectro de energía completo de una molécula de hidrógeno.

Ahora, dos equipos de investigación dirigidos por el personal de Berkeley Lab recibirán fondos del Departamento de Energía (DOE) para aprovechar este impulso. Un equipo recibirá 1,5 millones de dólares durante tres años para desarrollar algoritmos novedosos, recopilar técnicas y herramientas de programación que permitirán que las plataformas de computación cuántica a corto plazo se utilicen para el descubrimiento científico en las ciencias químicas. El otro equipo trabajará en estrecha colaboración con estos investigadores para diseñar prototipos de procesadores de cuatro y ocho qubits para calcular estos nuevos algoritmos. Este proyecto tendrá una duración de cinco años y los investigadores recibirán 1,5 millones de dólares por su primer año de trabajo. Para el año cinco, el equipo de hardware espera demostrar un procesador de 64 qubit con control total.

"Algún día, Las computadoras cuánticas universales podrán resolver una amplia gama de problemas, desde el diseño molecular hasta el aprendizaje automático y la ciberseguridad, pero estamos muy lejos de eso. Entonces, la pregunta que nos hacemos actualmente es si existen problemas específicos que podamos resolver con computadoras cuánticas más especializadas, "dice Irfan Siddiqi, Científico del Laboratorio de Berkeley y Director Fundador del Centro de Ciencia Coherente Cuántica en UC Berkeley.

Según Siddiqi, Las tecnologías de computación coherente cuántica de hoy tienen los tiempos de coherencia requeridos, fidelidades de operación lógica y topologías de circuitos para realizar cálculos especializados para la investigación fundamental en áreas como la ciencia molecular y de materiales, optimización numérica y física de altas energías. A la luz de estos avances, señala que es oportuno que el DOE explore cómo se pueden integrar estas tecnologías en la comunidad informática de alto rendimiento. En estos nuevos proyectos, Los equipos de Berkeley Lab trabajarán con colaboradores de la industria y el mundo académico para aprovechar estos avances y abordar problemas científicos difíciles de la misión del DOE, como el cálculo de la dinámica del sistema molecular y el aprendizaje automático cuántico.

"Estamos en las primeras etapas de la computación cuántica, algo así como donde estábamos con la informática convencional en la década de 1940. Tenemos parte del hardware ahora necesitamos desarrollar un sólido conjunto de software, algoritmos y herramientas para utilizarlo de manera óptima para resolver problemas científicos realmente difíciles, "dice Bert de Jong, quien lidera la Química Computacional, Grupo de Materiales y Clima en la División de Investigación Computacional (CRD) de Berkeley Lab.

Dirigirá un equipo de algoritmos cuánticos del DOE formado por investigadores de Berkeley Lab, Harvard, Argonne National Lab y UC Berkeley se centraron en "Algoritmos cuánticos, Matemáticas y herramientas de compilación para ciencias químicas ".

"La tradición de ciencia en equipo de Berkeley Lab, así como su proximidad a UC Berkeley y Silicon Valley, lo convierte en un lugar ideal para trabajar en computación cuántica de un extremo a otro, "dice Jonathan Carter, Director adjunto de Berkeley Lab Computing Sciences. "Tenemos físicos y químicos en el laboratorio que están estudiando la ciencia fundamental de la mecánica cuántica, ingenieros para diseñar y fabricar procesadores cuánticos, así como científicos informáticos y matemáticos para garantizar que el hardware pueda calcular de forma eficaz la ciencia del DOE ".

Carretero, Siddiqi y Jonathan DuBois del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore dirigirán el proyecto del banco de pruebas de simulación cuántica avanzada (AQuES) del DOE.

Desafío de la coherencia cuántica

La clave para construir computadoras cuánticas que resuelvan problemas científicos más allá del alcance de las computadoras convencionales es la "coherencia cuántica". Este fenómeno esencialmente permite que los sistemas cuánticos almacenen mucha más información por bit que en las computadoras tradicionales.

En una computadora convencional, los circuitos de un procesador comprenden miles de millones de transistores, diminutos interruptores que se activan mediante señales electrónicas. Los dígitos 1 y 0 se utilizan en binario para reflejar los estados de encendido y apagado de un transistor. Básicamente, así es como se almacena y procesa la información. Cuando los programadores escriben código de computadora, un traductor lo transforma en instrucciones binarias (unos y ceros) que un procesador puede ejecutar.

A diferencia de un bit tradicional, un bit cuántico (qubit) puede adquirir propiedades mecánicas cuánticas algo contradictorias como el entrelazamiento y la superposición. El entrelazamiento cuántico ocurre cuando pares o grupos de partículas interactúan de tal manera que el estado de cada partícula no puede describirse individualmente; en cambio, el estado debe describirse para el sistema en su conjunto. En otras palabras, las partículas entrelazadas actúan como una unidad. La superposición ocurre cuando una partícula existe en una combinación de dos estados cuánticos simultáneamente.

Entonces, mientras que un bit de computadora convencional codifica la información como 0 o 1, un qubit puede ser 0, 1 o una superposición de estados (ambos 0 y 1 al mismo tiempo). La capacidad de un qubit de existir en varios estados significa que puede, por ejemplo, Permiten el cálculo de las propiedades químicas y materiales significativamente más rápido que las computadoras tradicionales. Y si estos qubits pudieran estar vinculados o entrelazados en una computadora cuántica, se podrían abordar problemas que no se pueden resolver hoy con las computadoras convencionales.

Pero llevar qubits a este estado de coherencia cuántica, donde pueden aprovechar las propiedades de la mecánica cuántica y luego aprovecharlas al máximo cuando se encuentran en este estado sigue siendo un desafío.

"La computación cuántica es como jugar un juego de ajedrez en el que las piezas y el tablero están hechos de hielo. A medida que los jugadores barajan las piezas, los componentes se están derritiendo, y cuantos más movimientos hagas, cuanto más rápido se derrita el juego, "dice Carter." Los qubits pierden coherencia en muy poco tiempo, por lo que depende de nosotros descubrir el conjunto de movimientos más útiles que podemos hacer ".

Carter señala que el enfoque de Berkeley Lab de codiseñar los procesadores cuánticos en estrecha colaboración con los investigadores que desarrollan algoritmos cuánticos, Las técnicas de compilación y las herramientas de programación serán de gran utilidad para responder a esta pregunta.

"Los enfoques computacionales son comunes en la mayoría de los proyectos científicos en Berkeley Lab. A medida que la Ley de Moore se está desacelerando, arquitecturas informáticas novedosas, sistema, y las técnicas se han convertido en una iniciativa prioritaria en Berkeley Lab, "dice Horst Simon, Director adjunto de Berkeley Lab. "Reconocimos desde el principio cómo la simulación cuántica podría proporcionar un enfoque eficaz para algunos de los problemas computacionales más desafiantes de la ciencia". y me complace ver el reconocimiento de nuestra iniciativa LDRD a través de este primer financiamiento directo. La ciencia de la información cuántica se convertirá en un elemento cada vez más importante de nuestra empresa de investigación en muchas disciplinas ".

Debido a que este campo aún se encuentra en sus inicios, Existen muchos enfoques para construir una computadora cuántica. Los equipos dirigidos por el Laboratorio de Berkeley investigarán las computadoras cuánticas superconductoras.

Para diseñar y fabricar la próxima generación de procesadores cuánticos, El equipo de AQuES aprovechará la instalación del circuito superconductor en el Laboratorio de Nanoelectrónica Cuántica de UC Berkeley al tiempo que incorporará la experiencia de los investigadores en Tecnología Aceleradora y Física Aplicada de Berkeley Lab. Divisiones de Ciencia e Ingeniería de Materiales. Los equipos de investigación también utilizarán las capacidades únicas de dos instalaciones del DOE; el Centro de Computación Científica para la Investigación de la Energía y la Fundición Molecular (NERSC), ambos ubicados en Berkeley Lab.