La computación cuántica, aunque todavía está en sus inicios, tiene el potencial de aumentar drásticamente la potencia de procesamiento al aprovechar el extraño comportamiento de las partículas en las escalas más pequeñas. Algunos grupos de investigación ya han informado que realizan cálculos que llevarían miles de años a una supercomputadora tradicional. A largo plazo, las computadoras cuánticas podrían proporcionar encriptación indescifrable y simulaciones de la naturaleza más allá de las capacidades actuales.

Un equipo de investigación interdisciplinario dirigido por la UCLA, que incluye a colaboradores de la Universidad de Harvard, ha desarrollado ahora una estrategia fundamentalmente nueva para construir estas computadoras. Si bien el estado actual del arte emplea circuitos, semiconductores y otras herramientas de ingeniería eléctrica, el equipo ha elaborado un plan de juego basado en la capacidad de los químicos para diseñar bloques de construcción atómicos personalizados que controlan las propiedades de estructuras moleculares más grandes cuando se colocan juntos.

Los hallazgos, publicados la semana pasada en Nature Chemistry , podría conducir en última instancia a un salto en el poder de procesamiento cuántico.

"La idea es, en lugar de construir una computadora cuántica, dejar que la química la construya por nosotros", dijo Eric Hudson, profesor presidencial de física David S. Saxon de UCLA y autor correspondiente del estudio. "Todos nosotros todavía estamos aprendiendo las reglas de este tipo de tecnología cuántica, por lo que este trabajo es muy de ciencia ficción en este momento".

Las unidades básicas de información en la computación tradicional son los bits, cada uno de los cuales está limitado a uno de solo dos valores. Por el contrario, un grupo de bits cuánticos, o qubits, puede tener un rango de valores mucho más amplio, lo que aumenta exponencialmente la potencia de procesamiento de una computadora. Se requieren más de 1000 bits normales para representar solo 10 qubits, mientras que 20 qubits requieren más de 1 millón de bits.

Esa característica, en el corazón del potencial de transformación de la computación cuántica, depende de las reglas contrarias a la intuición que se aplican cuando los átomos interactúan. Por ejemplo, cuando dos partículas interactúan, pueden vincularse o enredarse, de modo que medir las propiedades de una determina las propiedades de la otra. Enredar qubits es un requisito de la computación cuántica.

Sin embargo, este enredo es frágil. Cuando los qubits encuentran variaciones sutiles en sus entornos, pierden su "cuanticidad", que es necesaria para implementar algoritmos cuánticos. Esto limita las computadoras cuánticas más poderosas a menos de 100 qubits, y mantener estos qubits en un estado cuántico requiere grandes piezas de maquinaria.

Para aplicar la computación cuántica en la práctica, los ingenieros deben aumentar esa potencia de procesamiento. Hudson y sus colegas creen que han dado un primer paso con el estudio, donde la teoría guió al equipo para diseñar moléculas a la medida que protegen el comportamiento cuántico.

Los científicos desarrollaron pequeñas moléculas que incluyen átomos de calcio y oxígeno y actúan como qubits. Estas estructuras de calcio y oxígeno forman lo que los químicos llaman un grupo funcional, lo que significa que se puede conectar a casi cualquier otra molécula y al mismo tiempo le confiere sus propias propiedades.

El equipo demostró que sus grupos funcionales mantuvieron la estructura deseada incluso cuando estaban unidos a moléculas mucho más grandes. Sus qubits también pueden resistir el enfriamiento por láser, un requisito clave para la computación cuántica.

"Si podemos unir un grupo funcional cuántico a una superficie o alguna molécula larga, podríamos controlar más qubits", dijo Hudson. "También debería ser más barato ampliarlo, porque un átomo es una de las cosas más baratas del universo. Puedes hacer tantos como quieras".

In addition to its potential for next-generation computing, the quantum functional group could be a boon for basic discovery in chemistry and the life sciences, for instance by helping scientists uncover more about the structure and function of various molecules and chemicals in the human body.

"Qubits can also be exquisitely sensitive tools for measurement," said study co-author Justin Caram, a UCLA assistant professor of chemistry and biochemistry. "If we could protect them so they can survive in complex environments such as biological systems, we would be armed with so much new information about our world."

Hudson said that the development of a chemically based quantum computer could realistically take decades and is not certain to succeed. Future steps include anchoring qubits to larger molecules, coaxing tethered qubits to interact as processors without unwanted signaling, and entangling them so that they work as a system.

The project was seeded by a Department of Energy grant that gave the physicists and chemists the chance to cut through discipline-specific jargon and speak in a common scientific language. Caram also credits UCLA's atmosphere of easy collaboration.

"This is one of the most intellectually fulfilling projects I've ever worked on," he said. "Eric and I first met having lunch at the Faculty Center. This was born out of fun conversations and being open to talking to new people." + Explora más

Quantum computer works with more than zero and one