A medida que los nuevos dispositivos acercan la computación cuántica al uso práctico, el periódico Naturaleza Recientemente, pidió a la científica informática de Princeton Margaret Martonosi y a dos colegas que evaluaran el estado del software necesario para explotar este poderoso enfoque computacional.

Confiando en los sutiles efectos de la mecánica cuántica para el almacenamiento y el cálculo de datos, Las computadoras cuánticas prometen acelerar enormemente ciertos tipos de cálculos. Martonosi, el profesor de Ciencias de la Computación de Hugh Trumbull Adams '35, explicó en una entrevista que aunque las computadoras cuánticas son fundamentalmente diferentes a las clásicas, ambos requieren una cadena de software eficiente para funcionar. Sus coautores en Nature son los profesores de informática Frederic Chong y Diana Franklin de la Universidad de Chicago.

¿Qué es la computación cuántica? y ¿en qué se diferencia de la informática estándar o clásica?

En computación clásica, hemos construido computadoras durante muchos años que se basan en valores binarios para lo que llamamos el estado, o los datos de almacenamiento, en la máquina. Entonces, el valor puede ser 0 o 1. Y desarrollamos la capacidad de hacer operaciones aritméticas o lógicas basadas en los valores 0 o 1. En las computadoras cuánticas, en lugar de estos 0 o 1 bits clásicos, tenemos lo que se llama bits cuánticos o qubits. Puede pensar en un qubit como una distribución probabilística de muchos valores posibles. Entonces no es 0 o 1, pero alguna "superposición" de diferentes estados. Ser capaz de manipular estos estados complejos, se pueden hacer cálculos únicos que van más allá de la simple suma o las operaciones lógicas de una computadora clásica.

La computación cuántica permite realizar cálculos considerablemente más potentes, conceptualmente al menos, con relativamente menos qubits que los bits de estado requeridos por una alternativa clásica. Hay algunos algoritmos cuánticos que muestran la oportunidad de una aceleración considerable, a veces incluso una aceleración exponencial, sobre el enfoque clásico. Por ejemplo, Hay algunos problemas a gran escala que tomarían decenas o cientos de años para computar en una máquina clásica, lo que los vuelve esencialmente intratables, pero si existiera el hardware cuántico adecuado, el algoritmo cuántico correspondiente podría permitir que esas tareas se resuelvan en horas en lugar de décadas. Es el hecho de que podemos hacer cosas potencialmente exponencialmente más rápido en una computadora cuántica lo que ha llevado al mundo a estar muy intrigado por las posibilidades.

Entonces, ¿una computadora cuántica no es solo una versión más rápida de una computadora estándar?

Está utilizando características físicas profundamente diferentes para hacer los cálculos. Y eso permite que sea más rápido, potencialmente, en algunos cálculos, aunque todavía se basa en la secuenciación clásica de las operaciones y el control clásico de las operaciones. Entonces, una de las áreas de mayor énfasis en los últimos 10 años ha sido obtener de los algoritmos cuánticos que muestran una aceleración teóricamente exponencial para ver cómo estos algoritmos realmente se correlacionarán con el hardware cuántico real. y qué tipo de aceleraciones serán posibles a medida que comencemos a construir hardware cuántico real.

Tu artículo en Naturaleza dice que la computación cuántica ha alcanzado una etapa crítica, lo que usted llama un 'punto de inflexión'. ¿Porqué ahora?

Es una variedad de cosas. Durante muchos años tuvimos algoritmos cuánticos que teóricamente esbozaban cómo podían usar la superposición cuántica y el entrelazamiento (la capacidad de los estados cuánticos para interactuar entre sí), pero no tenía ningún hardware para mapear. Mientras tanto, había físicos que estaban construyendo tecnologías individuales de qubit, pero construyendo tan pocos qubits, uno a la vez, o dos a la vez, que realmente no podía tener una idea de cómo calcular realmente con ellos.

Lo que está sucediendo ahora es que la cantidad de qubits que se pueden construir previsiblemente pronto será lo suficientemente grande como para que uno realmente tenga que pensar prácticamente en cómo construir sistemas para computar con ellos. Entonces, donde antes estaba bien simplemente construir qubits individuales y probar sus características de una manera única, ahora la gente está empezando a pensar en cómo construir sistemas informáticos reales a partir de ellos, incluida la comprensión de cómo funcionará el almacenamiento, cómo funcionará la comunicación.

Entonces, cuando hablamos de construir compiladores cuánticos (software que ejecuta las instrucciones de los programas en el hardware) o flujos de herramientas cuánticas (software que optimiza aplicaciones), lo hacemos por algunas razones. Una razón es que cuando se construyen computadoras cuánticas de tamaños cada vez más interesantes, queremos poder compilar para ellos. Otra razón es que, incluso antes de que se construyan las máquinas, queremos poder evaluar mejor las diferentes compensaciones de diseño. Entonces, la herramienta fluye que analiza el documento, el tipo en el que mis colaboradores y yo hemos trabajado, son una forma de realizar algunas de las evaluaciones que ayudarán a ver qué algoritmos se benefician de qué opciones de tecnología, o qué opciones organizativas, a medida que los investigadores construyen el hardware.

El otro aspecto del punto de inflexión es en términos de interés y financiación. Ahora estamos en un punto en el que puede usar una computadora cuántica de 16 qubits en la web. IBM, a través de su esfuerzo de Quantum Experience, ha puesto una computadora cuántica para que cualquiera la use. Google, Microsoft, Intel y otros están presionando para construir computadoras cuánticas sustancialmente más grandes que las que jamás se hayan construido. Y hay una pequeña carrera en marcha para ver quién llegará hasta dónde y cuándo. Entonces, dado que la industria está prestando una atención considerable a la construcción de computadoras cuánticas, Creo que ha aumentado la credibilidad de que haya algo aquí hay algo en lo que concentrarse. Y como un resultado, También ha aumentado el ritmo al que se han movido otras partes del espacio de investigación cuántica.

¿Podría la computación cuántica ser tan amplia como la computación clásica o es probable que sea más especializada?

Si observa los algoritmos cuánticos que se han desarrollado hasta ahora, están relativamente enfocados. Hay algunas áreas donde el quantum muestra el potencial de aceleración, pero hay muchas áreas en las que todavía no tenemos algoritmos cuánticos que muestren aceleración. Así que nadie ve que la computación cuántica sustituya por completo a la clásica. No se utilizará de esa manera en el futuro previsible. Bastante, la gente ve que la computación cuántica es útil para algunos cálculos muy enfocados. Puede pensar en ello como un acelerador especializado para esos cálculos.

Durante muchos años, Un catalizador clave para el interés en la computación cuántica fue el hecho de que muchos de nuestros métodos de cifrado actuales se basan en la suposición de que factorizar números grandes será computacionalmente difícil. Y la computación cuántica, particularmente algo llamado algoritmo de Shor, ha mostrado una manera de acelerar drásticamente la factorización. Así que durante muchos años Uno de los principales llamadores de atención sobre la cuántica fue la preocupación de si la computación cuántica lo haría - citar, unquote— "romper el cifrado".

Lo que estamos viendo ahora mismo es en primer lugar, la comunidad de cifrado está desarrollando nuevos algoritmos que están diseñados para ser resistentes a los cuánticos. Eso está progresando en algún nivel. Simultaneamente, estamos viendo que el algoritmo de factorización que podría "romper el cifrado" en realidad requiere tantos qubits que pasará un tiempo antes de que podamos utilizarlo para factorizar los grandes números que se utilizan en nuestros algoritmos de cifrado. Entonces, por esta razón, La factorización no es la que más llama la atención algorítmica en este momento dentro de la propia comunidad de computación cuántica.

Sino más bien, hay otros algoritmos que están llamando la atención en términos de cosas como la simulación de moléculas. La llamada química cuántica es de interés en estos días, y parece ser un área de aplicación a la que podríamos llegar antes con los tipos de máquinas que imaginamos poder construir antes en la línea de tiempo.

Mencionas el concepto de sistemas híbridos que combinan computación clásica y cuántica en el artículo.

Eso es inevitable. No vas a construir sistemas informáticos cuánticos que sean únicamente cuánticos. Y la gente en el campo lo sabe, pero no ha sido bien retratado al mundo exterior. Para hacer que una computadora cuántica funcione, y para ejecutar un conjunto de operaciones cuánticas, todavía tendrá un secuenciador de control clásico que interviene a través de un conjunto de manipulaciones físicas. Y así siempre tendrá este control clásico de las operaciones cuánticas.

Entonces esa dualidad estará ahí pase lo que pase. Y hay un trabajo interesante por hacer en términos de decidir cómo organizar eso, cuánto control clásico va a dónde. Las operaciones cuánticas se realizan a menudo a temperaturas muy bajas, cerca del cero absoluto. La pregunta es, ¿Cuánto de ese control clásico se puede hacer a esas temperaturas versus cuánto debería hacerse a temperatura ambiente de la forma en que estamos acostumbrados a hacer la computación clásica? Y, por lo tanto, ese tipo de compensaciones de diseño permanecen en su mayoría sin respuesta.

La computación cuántica es muy emocionante, pero no hay garantía de que la computación cuántica tenga la misma trayectoria o el mismo aliento que ha tenido la computación clásica. De muchas maneras, todo en este momento parece como si la computación cuántica pudiera ser más restringida que la clásica en sus aplicaciones. Pero sigue siendo útil e instructivo tratar de analizar los diferentes ciclos de innovación y tratar de ver dónde se ven paralelos o no.

¿La computación cuántica podría ser solo otra forma útil de hacer computación?

La esperanza es que acelere bastante ciertas cosas. Entonces, por ejemplo, si la química cuántica se convierte en la aplicación viable que parece ser, entonces uno puede imaginar que al ser profundamente influyente para cosas como la agricultura, comprender cómo fabricar mejores fertilizantes, Etcétera, y también para el desarrollo de fármacos. Entonces, incluso si está algo enfocado en donde tiene aplicabilidad, aún podría ser muy impactante en esas áreas.