Algunos problemas matemáticos son tan complicados que pueden atascar incluso a las supercomputadoras más poderosas del mundo. Pero una nueva y salvaje frontera en informática que aplica las reglas del reino cuántico ofrece un enfoque diferente.

Un nuevo estudio dirigido por un físico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), publicado en la revista Informes científicos , detalla cómo se puede utilizar una técnica de computación cuántica llamada "recocido cuántico" para resolver problemas relacionados con cuestiones fundamentales de la física nuclear sobre los bloques de construcción subatómicos de toda la materia. También podría ayudar a responder otras preguntas desconcertantes en la ciencia y la industria, también.

Buscando una solución cuántica para problemas realmente grandes

"No existe un algoritmo de recocido cuántico para los problemas que estamos tratando de resolver, "dijo Chia Cheng" Jason "Chang, becario RIKEN iTHEMS en la División de Ciencias Nucleares de Berkeley Lab y científico investigador en RIKEN, un instituto científico en Japón.

"Los problemas que estamos analizando son realmente realmente grande, "dijo Chang, quien dirigió el equipo internacional detrás del estudio. "La idea aquí es que el templador cuántico puede evaluar una gran cantidad de variables al mismo tiempo y devolver la solución correcta al final".

El mismo algoritmo de resolución de problemas que Chang ideó para el último estudio, y que esté disponible para el público a través de código fuente abierto, potencialmente podría adaptarse y escalarse para su uso en ingeniería de sistemas e investigación de operaciones, por ejemplo, o en otras aplicaciones industriales.

Álgebra clásica con una computadora cuántica

"Estamos preparando pequeños ejemplos de 'juguetes' solo para desarrollar cómo funciona un algoritmo. La simplicidad de los templadores cuánticos actuales es que la solución es clásica, similar a hacer álgebra con una computadora cuántica. Puede verificar y comprender lo que está haciendo con un recocido cuántico de una manera sencilla, sin la enorme sobrecarga de verificar la solución de forma clásica ".

El equipo de Chang utilizó un recocido cuántico comercial ubicado en Burnaby, Canadá, llamado D-Wave 2000Q que cuenta con elementos electrónicos superconductores enfriados a temperaturas extremas para realizar sus cálculos.

El acceso al annealer D-Wave se proporcionó a través de Oak Ridge Leadership Computing Facility en Oak Ridge National Laboratory (ORNL). "Estos métodos nos ayudarán a probar la promesa de las computadoras cuánticas para resolver problemas en matemáticas aplicadas que son importantes para la misión de computación científica del Departamento de Energía de EE. UU." "dijo Travis Humble, director del Instituto de Computación Cuántica de ORNL.

Datos cuánticos:uno, un cero O ambos al mismo tiempo

Actualmente hay dos de estas máquinas en funcionamiento que están disponibles para el público. Funcionan aplicando una regla común en física:los sistemas en física tienden a buscar su estado de menor energía. Por ejemplo, en una serie de empinadas colinas y profundos valles, una persona que atraviese este terreno tenderá a terminar en el valle más profundo, ya que se necesita mucha energía para salir de él y la menor cantidad de energía para asentarse en este valle.

El recocido aplica esta regla a los cálculos. En una computadora típica, la memoria se almacena en una serie de bits que están ocupados por uno o un cero. Pero la computación cuántica introduce un nuevo paradigma en los cálculos:bits cuánticos, o qubits. Con qubits, la información puede existir como una, un cero O ambos al mismo tiempo. Este rasgo hace que las computadoras cuánticas sean más adecuadas para resolver algunos problemas con una gran cantidad de posibles variables que deben considerarse para una solución.

Cada uno de los qubits utilizados en el último estudio finalmente produce un resultado de uno o un cero al aplicar la regla del estado de energía más baja, y los investigadores probaron el algoritmo utilizando hasta 30 qubits lógicos.

El algoritmo que Chang desarrolló para ejecutarse en el templador cuántico puede resolver ecuaciones polinomiales, que son ecuaciones que pueden tener números y variables y están configuradas para sumar cero. Una variable puede representar cualquier número en una amplia gama de números.

Cuando hay 'menos cálculos pero muy densos'

Berkeley Lab y la vecina UC Berkeley se han convertido en un semillero de I + D en el campo emergente de la ciencia de la información cuántica. y el año pasado anunció la formación de una asociación llamada Berkeley Quantum para avanzar en este campo.

Chang dijo que el enfoque de recocido cuántico utilizado en el estudio, también conocida como computación cuántica adiabática, "funciona bien para cálculos menos densos pero muy densos, "y que la técnica le atraía porque las reglas de la mecánica cuántica le son familiares como físico.

La salida de datos del recocido fue una serie de soluciones para las ecuaciones ordenadas en columnas y filas. Luego, estos datos se mapearon en una representación de los qubits del annealer, Chang explicó, y la mayor parte del algoritmo se diseñó para dar cuenta de la fuerza de la interacción entre los qubits del annealer. "Repetimos el proceso miles de veces" para ayudar a validar los resultados, él dijo.

"Resolver el sistema de forma clásica con este enfoque llevaría un tiempo exponencialmente largo en completarse, pero la verificación de la solución fue muy rápida "con el recocido, él dijo, porque estaba resolviendo un problema clásico con una sola solución. Si el problema era de naturaleza cuántica, se espera que la solución sea diferente cada vez que la mida.

Aplicaciones del mundo real para un algoritmo cuántico

Como las computadoras cuánticas están equipadas con más qubits que les permiten resolver problemas más complejos con mayor rapidez, también pueden conducir potencialmente a ahorros de energía al reducir el uso de supercomputadoras mucho más grandes que podrían tardar mucho más en resolver los mismos problemas.

El enfoque cuántico ofrece soluciones directas y verificables a problemas que involucran sistemas "no lineales", en los que el resultado de una ecuación no coincide proporcionalmente con los valores de entrada. Las ecuaciones no lineales son problemáticas porque pueden parecer más impredecibles o caóticas que otros problemas "lineales" que son mucho más sencillos y solucionables.

Chang buscó la ayuda de expertos en computación cuántica en computación cuántica tanto en los EE. UU. Como en Japón para desarrollar el algoritmo probado con éxito. Dijo que tiene la esperanza de que el algoritmo finalmente resulte útil para los cálculos que pueden probar cómo se comportan e interactúan los quarks subatómicos con otras partículas subatómicas en los núcleos de los átomos.

Si bien será un próximo paso emocionante trabajar para aplicar el algoritmo para resolver problemas de física nuclear, "Este algoritmo es mucho más general que solo para la ciencia nuclear, ", Señaló Chang." Sería emocionante encontrar nuevas formas de usar estas nuevas computadoras ".