Las computadoras más frías del mundo

Imagina que Estados Unidos está bajo ataque. Un avión enemigo, cargado con ojivas, se dirige hacia la costa, entrando y saliendo del radar. Los aviones de combate se han revuelto y hay un esfuerzo frenético por localizar el objetivo.

Pero la mejor defensa de la nación no es un portaaviones o un sistema de misiles. Es una caja de átomos increíblemente fríos.

"Utilice la computadora cuántica", grita un general. Los átomos dentro de la computadora pueden resolver problemas complejos y, casi instantáneamente, escupir una instrucción sobre cómo reconfigurar una matriz de radar para que el avión enemigo pueda ser rastreado y apuntado.

Una empresa que ya se está familiarizando con un escenario como este es ColdQuanta. Recientemente firmó un contrato con la agencia de investigación de defensa estadounidense Darpa para construir una computadora cuántica que pueda determinar rápidamente la mejor forma de reposicionar el equipo de radar en caso de que un sistema de defensa falle parcialmente.

El proyecto se basa en poder reunir suficientes átomos como qubits, los bloques de construcción de una computadora cuántica, que le permiten realizar cálculos.

Para hacer esto, los átomos tienen que estar extremadamente fríos, lo que hace que esas computadoras sean las más frías del mundo.

La computación cuántica está muy publicitada, pero la tecnología está en su infancia. Las empresas recién comienzan a construir sistemas que, según afirman, algún día superarán a las computadoras digitales tradicionales en ciertas tareas útiles.

"Lo que se nos pide que hagamos durante los próximos 40 meses es poder tener una máquina que tenga miles de qubits para resolver un problema de defensa del mundo real y en el que estamos trabajando es una versión de este radar. problema de cobertura ", explica Bo Ewald, director ejecutivo de ColdQuanta, con sede en Colorado.

El ejemplo anterior es un problema de optimización, un escenario para el que puede haber miles o millones de posibles soluciones. La clave es elegir el mejor.

Además de las aplicaciones militares, las computadoras cuánticas podrían tener usos en el diseño de drogas, estrategias de inversión, descifrado de cifrado y problemas complejos de programación para grandes flotas de vehículos.

Ewald dice que aquí es donde las computadoras cuánticas tendrán su impacto inicial: en la búsqueda de soluciones óptimas a los problemas que tomarían las computadoras existentes, incluso las supercomputadoras más rápidas, muchas horas o días para resolverse.

Hay varios tipos de computadoras cuánticas en desarrollo, pero el enfoque que usa átomos neutros ultrafríos como qubits es inusual: es diferente de las computadoras cuánticas superconductoras desarrolladas por grandes empresas como IBM y Google, u otros proyectos que usan átomos cargados, también conocidos como iones, en cambio.

Las computadoras cuánticas superconductoras no usan átomos individuales como qubits, y aunque esos sistemas dependen de bajas temperaturas, no son tan bajas como las necesarias para los átomos neutros de ColdQuanta.

"La gente superconductora está corriendo a milikelvin ... nosotros nos quedamos con microkelvin", explica con orgullo.

Kelvin es una medida de temperatura. Kelvin cero, el cero absoluto (-273.15C) es el más frío que cualquier cosa podría ser.

Y mientras milikelvin está frío, a 0,001 kelvin, los átomos de microkelvin de ColdQuanta son mucho más fríos, a aproximadamente 0,000001 kelvin. Ambos son significativamente más fríos, de hecho, que cualquier otro lugar que conozcamos en el universo natural.

En el caso de ColdQuanta, los átomos de rubidio se reúnen dentro de un vacío dentro de una pequeña caja de vidrio hexagonal o rectangular, de aproximadamente una pulgada de ancho, una pulgada de profundidad y dos pulgadas de alto. Los átomos se mantienen en alto puramente mediante láseres.

¿Pero por qué es tan importante la temperatura? El profesor Andrew Daley de la Universidad de Strathclyde dice que es crucial poder manipular los átomos y mantenerlos en su lugar.

Los rayos láser brillantes sobre los átomos los impulsan a liberar algo de energía y a reducir la velocidad. Eso hace que sea posible mantenerlos casi perfectamente quietos, que es el punto real aquí. No tienen frío en el sentido de que tú o yo concebiríamos el frío, sino que simplemente se desaceleran mucho.

Una vez que tengas tus patos (átomos) en una fila, puedes organizarlos como quieras, dice el profesor Daley. Este control de grano fino sobre los átomos significa que pueden colocarse en formaciones bidimensionales o tridimensionales, empaquetadas una cerca de la otra en el corazón de una computadora cuántica. Eso es importante porque con cada átomo adicional, las capacidades de la computadora se duplican.

Pinchar cada átomo neutro con otro láser más los excita, aumentando considerablemente su tamaño. Estos ajustes codifican información o unen los átomos a través de un extraño fenómeno llamado entrelazamiento. Ahora tiene una colección de qubits que funcionan juntos como un sistema que puede modificar para representar un modelo matemático o un problema de algún tipo.

Sorprendentemente, el usuario de una computadora cuántica en teoría podría programar este sistema para simular una gran cantidad de posibilidades a la vez. No es como una computadora tradicional que procesa muchos cálculos en paralelo, es más extraño y menos predecible que eso y obtener una respuesta útil al final es complicado.

"Lo que quiere es que el estado cuántico al final represente la respuesta al problema que está tratando de resolver", dice Jonathan Pritchard, colega del profesor Daley en Strathclyde. La computadora cuántica debería terminar favoreciendo un estado particular o una respuesta particular a un problema.

Para el problema correcto, podría acercarnos mucho más a una respuesta óptima, tanto más rápida como más eficientemente, que una computadora tradicional.

"Realmente todavía estamos esperando una demostración de una tarea informática en la que podamos demostrar que estas máquinas han hecho algo más allá de lo que se puede hacer en una computadora clásica, para algo que sea realmente útil", dice el profesor Daley.

La compañía francesa Pasqal está construyendo un prototipo de sistema, basado en principios similares a ColdQuanta.

El sistema de Pasqal es para el gigante energético EDF, que, si funciona, presentará horarios súper eficientes para cargar vehículos eléctricos. Específicamente, el objetivo es minimizar el tiempo total necesario para completar la carga de todos los vehículos y, al mismo tiempo, priorizar ciertos vehículos más importantes sobre otros.

Este tipo de problema podría ser abordado por una computadora tradicional, admite Christophe Jurczak, presidente, pero sostiene que un sistema cuántico terminará siendo significativamente más rápido, haciéndolo en una hora en lugar de 24 horas, por ejemplo.

"No parece tan grande, pero si quieres actualizar tu estrategia cada hora, esa es una gran diferencia", dice. Y podría usar 100 veces menos electricidad que una supercomputadora en el proceso.

Por el momento, todo esto queda por demostrar de verdad. Pero hay indicios de que en los próximos años, más rápido de lo esperado, descubriremos cuán útil es realmente este tipo de computadora increíblemente fría.