Caltech y Amazon se asocian para crear un nuevo centro de computación cuántica

El año pasado, se formó un nuevo edificio de dos pisos en la esquina noreste del campus de Caltech. Aunque de diseño modesto, lo que ocurre dentro de la estructura podría transformar el futuro de la informática. El edificio es el Centro de AWS para Computación Cuántica, el resultado de una asociación entre Caltech y Amazon Web Services, la rama de computación en la nube de Amazon. El objetivo de la colaboración es crear computadoras cuánticas y tecnologías relacionadas que tengan el potencial de revolucionar la seguridad de los datos, el aprendizaje automático, el desarrollo de medicamentos, las prácticas de sostenibilidad y más.

“La mayoría de la gente conoce la empresa Amazon. Podemos hacer muchas compras allí, pero también es una potencia en ingeniería ”, dice Fernando Brandão, profesor Bren de Física Teórica en Caltech y jefe de algoritmos cuánticos en AWS. “Amazon Web Services es el mayor proveedor de servicios en la nube del mundo en la actualidad. Están pensando en cómo hacer que la informática sea más sencilla y mejor para las personas que utilizan AWS. Y también están pensando en el próximo paso y en cómo hacer computación y computación en la nube en los próximos cinco o diez años “.

La colaboración ayudará a unir el lado comercial de la computación cuántica con la investigación fundamental que se está llevando a cabo en Caltech, que tiene una larga historia de avances en las ciencias cuánticas.

“AWS se beneficiará de las ideas que se filtran aquí en el campus”, dice Oskar Painter (MS ’95, PhD ’01), profesor John G. Braun de Física Aplicada y Física en Caltech y director de hardware cuántico en AWS. Painter dice que la computación cuántica es todavía una tecnología muy joven, por lo que es crucial que los esfuerzos de desarrollo estén conectados directamente con las últimas investigaciones en el mundo académico.

“Si tuviéramos que tomar las ideas de hoy y seguir adelante con ellas, crearíamos un dinosaurio de una computadora cuántica”, dice Painter. “Necesitamos estar estrechamente conectados y vinculados a estos esfuerzos de investigación básica”.

Este es el primer edificio de asociación corporativa en el campus de Caltech y refleja los intereses de Caltech en llevar la ciencia fundamental al mercado. A través de becas, pasantías y seminarios, el centro también apoyará a los estudiantes de Caltech y a los científicos que inician su carrera.

“Los estudiantes tendrán la oportunidad de interactuar con la investigación de vanguardia a través del centro ubicado en Caltech. Esto será bastante sorprendente para los estudiantes ”, dice Painter. “Y AWS puede aprovechar ese talento. Esos son los futuros ingenieros y científicos que van a construir computadoras cuánticas “.

Ampliar

Uno de los mayores desafíos en la construcción de computadoras cuánticas es escalarlas. Debido a que la tecnología detrás de las computadoras es tan compleja, los prototipos actuales aún se encuentran en etapas experimentales. Para que las computadoras cuánticas superen realmente lo que se puede hacer con las computadoras clásicas de hoy, un hito conocido como ventaja cuántica, deberán ser mucho más grandes.

Por ejemplo, las computadoras cuánticas rudimentarias de hoy funcionan en solo unas pocas docenas de qubits, el equivalente cuántico de los bits, o los 1 y 0 que componen el lenguaje de las computadoras clásicas. Los investigadores quieren construir computadoras cuánticas con miles de qubits y más.

“Las computadoras clásicas tienen miles de millones e incluso billones de bits, y ahí es donde eventualmente querríamos estar con los qubits”, dice Brandão.

Painter dice que aunque algunos informes de los medios han sugerido que las computadoras cuánticas están a la vuelta de la esquina, la tecnología aún está en su infancia. “Ahora podemos resolver pequeños problemas con las computadoras cuánticas, pero necesitamos escalar la tecnología en muchos órdenes de magnitud antes de que realmente podamos abordar problemas con un gran impacto. Averiguar qué problemas se resuelven mejor con las computadoras cuánticas también es un área activa de investigación. Hay entusiasmo porque estamos empezando a ser capaces de controlar sistemas cuánticos a gran escala, pero todavía no tenemos todas las respuestas “.

A diferencia de los bits, los qubits pueden existir en un estado cuántico conocido como superposición, donde son tanto un 1 como un 0 al mismo tiempo, y todos los estados posibles intermedios. (En la famosa analogía de superposición de Erwin Schrödinger, un gato puede estar vivo y muerto al mismo tiempo, pero el gato también puede estar en cualquier combinación o superposición de esos dos estados).

Con el poder viene la fragilidad

La capacidad de los qubits para asumir múltiples estados a la vez es lo que le da a las computadoras cuánticas el potencial de ser exponencialmente más poderosas que las computadoras clásicas para ciertos tipos de problemas, incluidos los de química, finanzas, criptografía y más. Pero ese poder tiene sus inconvenientes. Los qubits son muy frágiles; cualquier perturbación leve, como vibraciones o calor, puede empujarlos fuera de la superposición, un fenómeno conocido como decoherencia. La clave para construir computadoras cuánticas exitosas del futuro radica en controlar estos errores.

“Los transistores de nuestras computadoras modernas experimentan tasas de error extremadamente bajas, del nivel de un error por mil millones de operaciones, lo que permite una compleja co

Mputaciones a realizar ”, dice Painter. “Las computadoras cuánticas a partir de ahora están limitadas por tasas de error del nivel de aproximadamente un error por cada mil operaciones”.

Un objetivo principal de AWS es crear una arquitectura de computadora que incorpore la corrección de errores cuánticos en el hardware. El hardware de AWS se basa en qubits superconductores, que operan a temperaturas ultra frías ligeramente por encima del cero absoluto. Los métodos de corrección de errores cuánticos utilizan conjuntos redundantes de qubits a nivel de hardware físico (qubits “físicos”) para formar qubits “lógicos”, que codifican la información cuántica y se pueden utilizar para detectar y corregir errores. Un desafío principal en la corrección de errores cuánticos es la gran cantidad de hardware asociado con la cantidad de qubits físicos requeridos por qubit lógico.

“En las computadoras cuánticas con corrección de errores, cuantos más qubits físicos se utilicen para formar un qubit lógico, mejor se puede reducir la tasa de error de qubit lógico en relación con la tasa de error de qubit físico individual”, dice Painter. “En el futuro, queremos aumentar la cantidad de qubits lógicos a cientos o miles, al mismo tiempo que reducimos la tasa de error de qubits lógicos en varios órdenes de magnitud, de modo que podamos realizar cálculos cuánticos de complejidad suficiente para abordar problemas de alto valor. . Para hacerlo, necesitamos desarrollar aún más tanto el hardware físico como la arquitectura lógica de qubit “.

Raíces cuánticas

Caltech se adapta bien como un centro de innovación cuántica gracias a su rica historia en el campo. El difunto Richard Feynman, profesor de física de Caltech desde hace mucho tiempo, fue uno de los primeros en proponer las computadoras cuánticas. En una conferencia de 1981, explicó que hay límites para simular sistemas en física con computadoras clásicas porque “la naturaleza no es clásica, maldita sea, y si quieres hacer una simulación de la naturaleza, será mejor que la hagas de mecánica cuántica, y caramba, es un problema maravilloso porque no parece tan fácil “.

En 1994, el alumno de Caltech Peter Shor (BS ’81), entonces en Bell Labs, desarrolló un algoritmo cuántico que puede factorizar grandes números en períodos de tiempo muy cortos, demostrando el enorme poder de la tecnología del futuro. Por ejemplo, una computadora cuántica podría factorizar un número de 2.048 dígitos en ocho horas, mientras que una computadora clásica necesitaría unos 300 billones de años. “Cuando me enteré de esto, me quedé asombrado”, recuerda el académico de Amazon John Preskill, profesor de física teórica Richard P. Feynman y director del Instituto de Ciencia y Tecnología Cuántica (IQIM), en un artículo de Caltech de 2013. Shor también ayudó a ser pionero en el desarrollo de códigos cuánticos de corrección de errores.

Jeff Kimble, de Caltech, profesor emérito de Física William L. en contacto directo entre sí. En 2008, él y sus colegas también fueron los primeros en almacenar estados cuánticos entrelazados en un dispositivo de memoria.

“Vine a Caltech como estudiante de posgrado para estudiar con personas como Jeff Kimble, que estaba midiendo pequeños sistemas cuánticos átomo-fotones con una sensibilidad exquisita, y que estaba desarrollando protocolos cuánticos con estos sistemas que, en última instancia, podrían usarse para crear una forma cuántica. Internet algún día ”, dice Painter.

Annika Dugad, una estudiante de posgrado actual en Caltech, dice que tener el centro de AWS en el campus trae aún más entusiasmo a la investigación cuántica de vanguardia que se lleva a cabo en Caltech. Dugad se encuentra entre varios académicos cuyos estudios de posgrado están siendo financiados por Amazon. Ella está usando el soporte para estudiar la paradoja de la información de los agujeros negros, un misterio iluminado por primera vez por Stephen Hawking a principios de la década de 1970 que pregunta qué sucede con la información que queda atrapada dentro de un agujero negro. En última instancia, Dugad dice que le gustaría tomar lo que ha aprendido y aplicarlo a preguntas más prácticas en computación cuántica.

“No muchos campus tienen este tipo de centro cuántico”, dice. “Sé que hay un medio al que puedo acudir para colaborar en experimentos. La academia tiene un ritmo más lento por naturaleza, pero en la industria, tienen fechas límite y realmente pueden hacer que las cosas funcionen “.

“Hay un nuevo paradigma en la informática”, dice Brandão. “No se trata solo de hacer que nuestras computadoras actuales sean un poco más rápidas o un poco mejores, como lo hemos estado viendo al menos en los últimos 50 años. Se trata de construir un tipo de computadora completamente nuevo. La computación cuántica es muy temprana, pero creo que también es muy emocionante “.

Para obtener más información sobre la computación cuántica, consulte el nuevo Science Exchange de Caltech sobre ciencia y tecnología cuánticas