En lo profundo del espacio exterior, unas manos invisibles moldean el universo. Una es la materia oscura, una sustancia invisible que se cree que une galaxias distantes. La otra es la energía oscura, una fuerza que se cree que separa las estructuras estelares con una fuerza que desafía la gravedad.
En busca de signos de estas extrañas influencias cósmicas, los científicos del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU. diseñaron un dispositivo para medir sus supuestos efectos sobre los electrones giratorios. Luego, se dieron cuenta de que la idea era prometedora en otro ámbito:la computación cuántica.
Las computadoras cuánticas son la próxima frontera en tecnología de la información. Estas máquinas, que alguna vez estuvieron confinadas a teorías lejanas y ciencia ficción, aprovechan las extrañas y maravillosas fuerzas del mundo submicroscópico para resolver problemas que podrían ser demasiado difíciles para las computadoras clásicas (pensemos en 1 y 0) e incluso para las enormes supercomputadoras de escala extrema de la actualidad. hoy.
Esta pujante búsqueda global ha dado enormes pasos en los últimos años, con grandes empresas tecnológicas, nuevas empresas y gobiernos buscando una mezcla de plataformas, cada una con fortalezas y debilidades. Pero debido a la delicada mecánica en la que operan estos sistemas, la búsqueda de décadas para darles un uso confiable y práctico hasta ahora ha resultado difícil de alcanzar.
Ahora, un equipo dirigido por el Laboratorio Jefferson está lanzando su sombrero al proverbial ring con una "CPU" única nacida de la tecnología de aceleradores de partículas y el estudio del universo visible. Podría rivalizar o incluso superar a algunos de los prototipos ruidosos y consumidores de energía que se están explorando.
"Estamos encontrando nuevas vías para nuestra experiencia existente en física nuclear", dijo Riad Suleiman, investigador principal del estudio. "Nuestro objetivo es abrir una nueva era de investigación en computación cuántica en el Laboratorio Jefferson."
Suleiman se especializa en inyectores, los dispositivos que dotan a los aceleradores de partículas de sus rayos. Comenzó a trabajar en Jefferson Lab como estudiante de la Universidad Estatal de Kent en 1995 y se unió al personal a tiempo completo en 2007 después de períodos como becario postdoctoral en el MIT y Virginia Tech. Suleiman se ha unido a Vasiliy Morozov, un ex físico de aceleradores del Laboratorio Jefferson que trabaja en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE, y a Matt Grau, un experto en computación cuántica de iones atrapados de la Universidad Old Dominion.
Se presentó una patente completa sobre su "núcleo" de computación cuántica, que implica atrapar átomos cargados (iones) e inyectarlos en una línea de luz en forma de ocho. Este anillo de acero inoxidable sellado al vacío está diseñado para mantener el giro de los iones mientras circulan. Almacenados de esta manera, los átomos pueden actuar como bits cuánticos (qubits, para abreviar).
El proyecto comenzó en 2022 bajo el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio (LDRD) de Jefferson Lab, pero su historia se remonta a mucho tiempo atrás.
Morozov pasó más de una década en el Laboratorio Jefferson antes de unirse a Oak Ridge en 2020. Participó en los primeros conceptos de diseño del Colisionador de iones de electrones (EIC), un acelerador de partículas de próxima generación que se está construyendo en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE en asociación con Laboratorio Jefferson.
Uno de los diseños del EIC incluía líneas de luz con forma de ocho, incluido un anillo para almacenar electrones antes de que choquen contra iones acelerados.
"El desafío en algunos aceleradores es lograr que el giro de todas las partículas apunte en la misma dirección", dijo Morozov, que todavía participa en el EIC. "Hay que mantenerlos alineados porque, si no se tiene cuidado, se termina con una orientación completamente caótica. La figura del ocho se propuso como una forma universal de mantener esta alineación para experimentos de precisión."
La selección definitiva del EIC por parte del DOE fue un diseño mayoritariamente circular, pero el modelo en forma de ocho no fue descartado. Suleiman y Morozov formaron un equipo para explorar otro uso de estos novedosos anillos:la búsqueda de pistas sobre el origen y la estructura del universo.
El mundo físico debe su existencia a un exceso de materia sobre antimateria, y Suleiman dijo que los anillos en forma de ocho son un lugar ideal para medir las propiedades de los electrones que podrían explicar este desequilibrio. También se espera que las partículas elementales, que giran dentro de estos anillos, sean hipersensibles a fuerzas hipotéticas relacionadas con la materia y la energía oscuras.
Durante esta investigación, el equipo de Suleiman descubrió otro uso para los anillos.
"Así es como surgió la idea", dijo Suleiman.
Las computadoras cuánticas no necesariamente tienen una CPU más rápida o más pequeña, por lo que no encontrará una en su escritorio (o regazo) en el corto plazo. Simplemente tienen acceso a un espacio computacional diferente.
"Para algunos de los problemas más difíciles que las supercomputadoras están abordando hoy en día, existe el potencial de que las computadoras cuánticas los resuelvan de manera extremadamente eficiente", afirmó Grau.
Los campos que podrían beneficiarse incluyen criptografía, ciencia de datos, algoritmos de búsqueda e inteligencia artificial. Otro es el modelado de sistemas cuánticos, como nanomateriales, química cuántica, óptica cuántica y teorías cuánticas de campos.
"Resulta que estas computadoras son muy buenas para resolver problemas de física cuántica", dijo Grau. "Esto es realmente útil si quieres simular las vías de ciertas reacciones químicas o cómo podría funcionar una proteína interesante en un fármaco. En lugar de probarlo en un vaso de precipitados, puedes probarlo en una computadora que habla naturalmente el lenguaje de la mecánica cuántica. ."
Los qubits pueden compararse con los bits binarios de una computadora clásica. Pero en lugar de representar sólo un 1 o un 0, pueden representar muchos estados computables diferentes simultáneamente a través de la extraña propiedad cuántica de la superposición. Su poder de procesamiento se puede amplificar aún más uniéndolos mediante otra característica cuántica peculiar llamada entrelazamiento.
El entrelazamiento es una rareza fundamental de los sistemas cuánticos en los que los estados físicos de las partículas, como el espín, pueden correlacionarse directamente, en principio incluso si están a años luz de distancia. Esto se puede lograr dentro de una trampa que confina los iones (en este caso, iterbio) utilizando un campo eléctrico oscilante. La trampa está sometida a un vacío ultraalto y enfriada a temperaturas más frías que las del espacio profundo.
"Una millonésima de grado por encima del cero absoluto es donde básicamente todo el movimiento se ha congelado y estas partículas están completamente quietas", dijo Grau. "A estas temperaturas tan frías, se puede conseguir un control extremo. Esto es fundamental para el funcionamiento de ordenadores cuánticos".
A partir de ahí, una combinación de campos eléctricos estáticos y variables en el tiempo inyecta los iones en el anillo.
Grandes empresas tecnológicas como Amazon, Google, Microsoft e IBM están explorando la computación cuántica basada en superconductores, y otro equipo del Jefferson Lab se está asociando con el sector privado para explorar la electrónica digital superconductora de alta eficiencia energética. Otras empresas y nuevas empresas están investigando átomos neutros, iones atrapados y fotónica, pero no está claro qué tecnología se destacará del resto.
Podría decirse que el requisito más crítico de una computadora cuántica es que sea una "caja cerrada", lo que significa que debe estar aislada del resto del universo. La interferencia externa o la fuga de información desde dentro pueden perturbar el mar espumoso de probabilidades sobre el que opera la computadora.
El aislamiento mediante la prevención y cancelación de interacciones externas permite que los iones mantengan sus estados cuánticos. Esta cualidad se llama coherencia y debe durar el tiempo suficiente para que la computadora ejecute sus complejos algoritmos.
Gracias al vacío de la línea de luz y a la cancelación natural de los efectos de giro en un diseño en forma de ocho, se espera que dicho anillo ofrezca tiempos de coherencia superiores a tres horas. Como en la franquicia "Ant-Man" del Universo Cinematográfico de Marvel, tres horas es toda una vida en el mundo cuántico, y esta vida supera con creces el estado actual de la técnica.
A modo de comparación, el ordenador superconductor Condor de IBM ofrece tiempos de coherencia de unos 200 microsegundos, y el sistema de 216 qubits de Xanadu puede durar unos 34 milisegundos sin descoherencia. El sistema de iones atrapados H2 de Quantinuum funciona un poco mejor que estas plataformas con una coherencia superior a 100 segundos, y la plataforma de átomo neutro de Atom Computing tiene un lapso de 40 segundos.
También se espera que el anillo en forma de ocho supere a estos sistemas en la cantidad de qubits que puede almacenar. Con unos 12 metros de largo y 6 metros de ancho (aproximadamente el área de un apartamento pequeño), estos anillos podrían acumular hasta 3.000 qubits. Pueden ampliar aún más su escala apilando varios anillos, afirmó Suleiman. La gran cantidad de qubits contribuiría en gran medida a la tolerancia a fallos y la corrección de errores.
"Ser capaz de calcular con precisión con corrección de errores generalmente significa que necesitas muchos más qubits de los que necesitarías para satisfacer las necesidades de tu algoritmo", dijo Grau. "Por lo tanto, el escalado es realmente, al final, el gran desafío al que todos los ordenadores cuánticos tienen que enfrentarse".
Mientras tanto, Condor de IBM opera con 1.121 qubits y la máquina de átomos neutros de Atom Computing tiene 1.180. El H2 de Quantinuum utiliza actualmente 32 qubits, al igual que el sistema de iones atrapados Forte de IonQ.
Brookhaven Lab también está examinando anillos de almacenamiento para computación cuántica, pero su modelo patentado tiene un diseño elíptico y se basa en un enfriamiento extremo del haz. Mientras tanto, el equipo de Suleiman está a punto de obtener una patente completa para su figura de ocho que aprovecha efectos de espín cuántico bastante robustos que no involucran características cuánticas difíciles de lograr del movimiento orbital de la partícula.
"El anillo de almacenamiento en forma de ocho fue desarrollado simplemente para preservar el giro de las partículas", dijo Suleiman. "Es un concepto muy simple, pero resultó fructífero cuando se aplica en diferentes áreas. Si podemos empezar a demostrar sus capacidades, algún día podremos trabajar con una empresa para desarrollar aún más la idea".
Proporcionado por el Fondo del Acelerador Nacional Thomas Jefferson
