Pregúntele a un experto de Caltech: Richard P. Feynman Profesor de física teórica John Preskill sobre computadoras cuánticas

Como parte de Conversaciones sobre el mundo cuántico, una serie de seminarios web organizados por Caltech Science Exchange, John Preskill, el profesor Richard P. Feynman de Física Teórica y la Cátedra de Liderazgo Allen VC y Lenabelle Davis para el Instituto de Información y Materia Cuántica, o IQIM habla sobre la promesa y el desafío de construir computadoras cuánticas.

Como físico teórico, Preskill está interesado en el potencial de las computadoras cuánticas para responder algunas de las preguntas más complejas de la física, como las relacionadas con la naturaleza del espacio y el tiempo. En una conversación con la escritora científica de Caltech, Whitney Clavin, analiza cómo las computadoras cuánticas pueden potencialmente ayudar a resolver problemas difíciles en una variedad de campos científicos, y cómo el difunto Richard Feynman se dio cuenta de algo similar cuando propuso por primera vez las computadoras cuánticas en la década de 1980.

Los aspectos más destacados de la conversación se encuentran a continuación, incluidos los puntos de vista de Preskill sobre la creatividad en la ciencia.

Las preguntas y respuestas a continuación se han editado para mayor claridad y extensión.

¿Qué es una computadora cuántica y en qué se diferencia de una computadora normal?
¡Pensé que me comenzarías con una pregunta fácil! Esta es realmente una pregunta bastante difícil de responder, pero lo intentaré. Debería comenzar diciendo lo que no es una computadora cuántica: no es solo una versión mejor, más poderosa y más rápida de las computadoras convencionales que usamos ahora. Procesa la información de una manera fundamentalmente diferente utilizando los principios de la física cuántica.

Sabemos desde hace mucho tiempo, casi un siglo, que toda la materia se rige por la teoría cuántica, y eso ha llevado a muchas tecnologías nuevas, como láseres e imágenes por resonancia magnética (IRM), y a colocar miles de millones de transistores en un chip. . Pero esas tecnologías solo han arañado la superficie de cómo la teoría cuántica ha modificado nuestra visión de lo que es posible en el universo.

En particular, no toman en cuenta que cuando tenemos muchas partículas subatómicas que interactúan fuertemente entre sí, mecánicamente cuánticamente, esas partículas hablan un lenguaje muy extravagante, que es muy diferente del lenguaje que entendemos y que nuestras computadoras comprender. No hay forma de traducir sucintamente ese lenguaje cuántico a bits ordinarios que conocen nuestras computadoras. Si desea describir lo que hacen unos cientos de partículas usando bits, necesitaría más bits que la cantidad de átomos en el universo visible. Existe esta complejidad extravagante y queremos aprovecharla para acelerar las soluciones a algunos problemas computacionales realmente difíciles.

Hay mucha publicidad en torno a las computadoras cuánticas. ¿Qué es lo que realmente van a hacer?
El bombo es natural en cierto modo. Todo el mundo entiende que la computación es importante, que afecta nuestra vida diaria, que tiene valor económico. Hemos visto en los últimos años un fuerte aumento de los intereses en la industria tecnológica y de los inversores en computación cuántica. Eso es algo bueno de alguna manera. Acelera el progreso y brinda oportunidades para que las personas trabajen en el campo. Pero debemos ser realistas acerca de la escala de tiempo para que la computación cuántica tenga un gran impacto práctico. Y también debemos apreciar que las computadoras cuánticas probablemente no podrán acelerar todo lo que queremos hacer con las computadoras, pero se aplicarán a una clase especial de problemas, y todavía tenemos solo una comprensión parcial de cuáles son esos problemas. Lo entenderemos mejor cuando tengamos computadoras cuánticas y podamos experimentar con ellas.

Cuanto tiempo tenemos que esperar? ¿Un año? ¿10 años? ¿100 años?
Bueno, depende de lo que quieras. Estamos en una etapa muy temprana del desarrollo de las computadoras cuánticas, pero incluso ahora, desde una perspectiva científica, las computadoras cuánticas que ya tenemos nos están dando poder. Nos permiten explorar el comportamiento de los sistemas cuánticos complejos de formas que nunca antes habíamos podido, y eso impulsará el descubrimiento científico en los próximos cinco o diez años. Pero para un impacto práctico generalizado, creo que una estimación razonable es décadas, o más de 10 años.

¿Qué aplicaciones potenciales te entusiasman más?
Bueno, recuerde que soy científico, así que me gusta pensar en las computadoras como herramientas para el avance de la ciencia, para el descubrimiento científico. Usamos computadoras para iluminar cómo funciona la naturaleza en una variedad de formas. Eso se aplica a gran parte de la química y la ciencia de los materiales. Conocemos las ecuaciones; describen cómo los electrones interactúan entre sí electromagnéticamente e interactúan con los núcleos atómicos. Pero son demasiado difíciles de resolver para moléculas grandes o materiales complejos. Las computadoras cuánticas serán buenas para resolver problemas como ese.

Y eso también tendrá un impacto práctico eventualmente. La química computacional, por ejemplo, puede facilitar el descubrimiento de nuevos productos farmacéuticos y catalizadores químicos y eso puede tener un amplio impacto en la humanidad, pero puede pasar un tiempo antes de que veamos ese impacto.

Otra forma en que usamos las computadoras es para ayudarnos a descubrir nuevas leyes de la física, y creo que las computadoras cuánticas también serán útiles para eso. Una cosa que me ha interesado durante mucho tiempo es, ¿cómo deberíamos pensar sobre la mecánica cuántica del espacio-tiempo en sí? Eso es importante si quiero entender qué sucede cuando algo cae en un agujero negro o qué estaba sucediendo muy temprano en la historia del universo. Las computadoras cuánticas nos ayudarán a comprender mejor esas cosas al permitirnos simular fenómenos cuánticos que de otro modo serían demasiado difíciles de estudiar.

¿Es esto para lo que Richard Feynman pensaba que se utilizarían las computadoras cuánticas cuando las propuso por primera vez en la década de 1980?
Conocí a Feynman; coincidimos en la facultad de Caltech durante unos cinco años entre el momento en que llegué y cuando falleció, y hablamos bastante sobre ciencia. No hablamos sobre computación cuántica, pero sí hablamos mucho sobre partículas subnucleares y cómo se comportan. Ese es un caso en el que creemos que conocemos las ecuaciones. Tenemos una teoría llamada cromodinámica cuántica que describe cómo se comportan los protones y los neutrones y sus constituyentes. Pero al igual que con la química, las ecuaciones son demasiado difíciles de resolver. Aunque conocemos las ecuaciones correctas, no podemos calcular cómo va ese proceso a partir de los primeros principios, y eso es algo que una computadora cuántica podría hacer.

Creo que parte de lo que despertó el interés de Feynman en la posibilidad de la computación cuántica es que se dio cuenta de que problemas como ese serían demasiado difíciles de resolver. Y, por supuesto, también se dio cuenta de que si pudiéramos simular cómo se comportan los sistemas cuánticos, eso tendría otras implicaciones, incluido el empoderamiento para hacer cálculos en química y materiales que de otro modo estarían fuera de nuestro alcance.

¿Dirías que hay un lado creativo en lo que haces?
Si eso espero. Quiero decir, los científicos son solucionadores de problemas. Bueno, todo el mundo lo es, ¿verdad? Quiero decir, es parte de la condición humana, ya que todos tenemos problemas y queremos resolverlos. Y así, tienes que descubrir cómo resolver problemas. También tienes que averiguar cuáles son los problemas en los que quieres centrarte, qué preguntas hacer. Y creo que ambas cosas involucran destellos de creatividad e intuición. Si estás trabajando en un problema y vale la pena saber cuál es la solución, entonces si fuera fácil, probablemente alguien ya lo habría descubierto. Así que a veces estás atascado.

Pero luego ves una conexión entre el problema en el que estás pensando actualmente y algo en lo que has pensado antes. Ese tipo de analogías en realidad son muy útiles. Y a veces simplemente sale de la nada y otras veces tienes que usar la fuerza bruta. Te das cuenta de que puedes resolver un problema si trabajas lo suficiente y el camino está despejado, pero tienes que resolver todos los detalles. Son esos pasos creativos los más divertidos cuando realmente no ves de dónde vendrá la solución; si miras un problema desde un ángulo diferente, te das cuenta de la forma correcta de pensar en él.

¿Caltech tiene una computadora cuántica?
Caltech tiene una asociación con Amazon Web Services, que abrió un centro de computación cuántica en nuestro campus, y están siguiendo el enfoque basado en circuitos eléctricos muy fríos. Creo que es una buena asociación, porque ambas partes ven la necesidad de centrarse en los problemas a largo plazo. Para mí, lo más probable es que las aplicaciones durante los próximos cinco a diez años sean herramientas para el descubrimiento científico más que para resolver problemas que son de interés empresarial, por ejemplo. Para llegar a la etapa en la que podamos tener un gran impacto práctico de la computación cuántica, vamos a tener que tener mejores y más qubits. Vamos a tener que resolver algunos grandes problemas de ingeniería de sistemas.

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