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2021-01-20Transformando la promesa de la computación cuántica en práctica

MIT |El ingeniero eléctrico William Oliver desarrolla tecnología para permitir una computación cuántica confiable a escala.

Fue la música lo que despertó la pasión de toda la vida de William Oliver por las computadoras. Al crecer en la región de Finger Lakes de Nueva York, era un ávido teclista. "Pero entré en la escuela de música con voz", dice Oliver, "porque era un poco más fácil".

Pero una vez en la escuela, primero en la Universidad Estatal de Nueva York en Fredonia y luego en la Universidad de Rochester, no rehuía un desafío. “Estaba estudiando tecnología de grabación de sonido, lo que me llevó al procesamiento de señales digitales”, explica Oliver. "Y eso me llevó a las computadoras". Veinticinco años después, todavía está atrapado en ellos.

Oliver, profesor asociado recientemente titular en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT, está construyendo una nueva clase de computadora, la computadora cuántica, con el potencial de mejorar radicalmente la forma en que procesamos la información y simulamos sistemas complejos. La computación cuántica aún está en sus inicios, y Oliver tiene como objetivo ayudar a que el campo salga del laboratorio y lo lleve al mundo real. “Nuestra misión es construir las tecnologías fundamentales que son necesarias para escalar la computación cuántica”, dice.

De costa a costa y viceversa

La primera parada de Oliver en el MIT fue como estudiante de maestría en el Media Lab con el asesor Tod Machover. Su proyecto interactivo Brain Opera combinó el amor de Oliver por la música y la informática. Oliver orquestó las voces de los usuarios con un "arpegio angelical de cuerdas y un coro" generado por computadora. El proyecto se instaló en el museo Haus der Musik de Viena. “Fue un proyecto de maestría fantástico. Realmente me encantó ”, dice Oliver. "Pero la pregunta era está bien, ¿qué hago ahora?"

Ansioso por un nuevo desafío, Oliver decidió explorar investigaciones más fundamentales. “Encontré que la mecánica cuántica es realmente desconcertante e interesante”, dice Oliver. Así que viajó a la Universidad de Stanford para obtener un doctorado estudiando óptica cuántica utilizando electrones libres. “Me siento muy afortunado de haber podido hacer esos experimentos, que casi no tienen aplicación práctica, pero que me permitieron pensar profundamente en la mecánica cuántica”, dice.

El momento de Oliver también fue afortunado. Estaba profundizando en la mecánica cuántica justo cuando estaba emergiendo el campo de la computación cuántica. Una computadora clásica, como la que estás usando para leer esta historia, almacena información en bits binarios, cada uno de los cuales tiene un valor de 0 o 1. Por el contrario, una computadora cuántica almacena información en qubits, cada uno de los cuales puede contener un 0, 1 o cualquier combinación simultánea de 0 y 1, gracias a un fenómeno mecánico cuántico llamado superposición. Eso significa que las computadoras cuánticas pueden procesar información mucho más rápido que las computadoras clásicas, en algunos casos completando tareas en minutos donde una computadora clásica tomaría milenios, al menos en teoría. Cuando Oliver estaba completando su doctorado, la computación cuántica era un campo en su infancia, más idea que realidad. Pero Oliver comprendió el potencial de la computación cuántica, por lo que regresó al MIT para ayudarlo a crecer.

El dilema del qubit

Las computadoras cuánticas son frustrantemente inconsistentes. Eso se debe en parte a que esos estados de superposición de qubit son frágiles. En un proceso llamado decoherencia, los qubits pueden errar y perder su información cuántica por la menor perturbación o defecto material. En 2003, Oliver asumió un puesto de personal en el Laboratorio Lincoln del MIT para ayudar a resolver problemas como la decoherencia. Su objetivo, con sus colegas Terry Orlando, Leonya Levitov y Seth Lloyd, era diseñar sistemas de computación cuántica fiables que se puedan ampliar para su uso práctico. “La computación cuántica está pasando de la curiosidad científica a la realidad técnica”, dice Oliver. “Sabemos que funciona a pequeña escala. Y ahora estamos tratando de aumentar el tamaño de los sistemas para poder resolver problemas que sean realmente significativos ".

Incluso los niveles de radiación de fondo pueden desencadenar la decoherencia en solo milisegundos. En un artículo reciente de Nature, Oliver y sus colegas, incluido el profesor de física Joe Formaggio, describieron este problema y propusieron formas de proteger a los qubits de la radiación dañina, como protegerlos con plomo.

Se apresura a enfatizar el papel de la colaboración en la resolución de estos complejos desafíos. “La ingeniería de estos sistemas cuánticos en máquinas útiles a mayor escala requerirá casi todos los departamentos del Instituto”, dice Oliver. En su propia investigación, construye qubits a partir de circuitos eléctricos en aluminio que están superenfriados hasta una pizca más cálida que el cero absoluto. A esa temperatura, el sistema pierde resistencia eléctrica y puede usarse como un oscilador anarmónico que almacena información cuántica. Diseñar un sistema tan intrincado para procesar información de manera confiable significa que “necesitamos incorporar a muchas personas con sus propios talentos”, dice Oliver.

“Por ejemplo, los científicos de materiales tendrán mucho que decir sobre los materiales y los defectos de las superficies”, añade. “Los ingenieros eléctricos tendrán algo que decir sobre cómo fabricar y controlar los qubits. Los informáticos y los matemáticos aplicados tendrán algo que decir sobre los algoritmos. Los químicos y biólogos conocen los problemas difíciles de resolver. Y así." Cuando se incorporó por primera vez al Laboratorio Lincoln, Oliver dice que solo dos empleados de Lincoln se centraron en tecnologías cuánticas. Ese número ahora supera los 100.

En 2015, Oliver fundó el grupo Engineering Quantum Systems (EQuS) para centrarse específicamente en la tecnología qubit superconductora. También es miembro del Laboratorio Lincoln, director del Centro de Ingeniería Cuántica del MIT y director asociado del Laboratorio de Investigación de Electrónica.

Un futuro cuántico

Oliver prevé un papel en constante crecimiento para la computación cuántica. Google ya ha demostrado que para una tarea en particular, una computadora cuántica de 53 qubits puede superar con creces incluso a la supercomputadora más grande del mundo, que cuenta con billones de transistores. "Fue como el vuelo en Kitty Hawk", dice Oliver. "Se despegó del suelo".

A corto plazo, Oliver cree que las computadoras cuánticas y clásicas podrían funcionar como socios. La máquina clásica se batiría a través de un algoritmo, enviando cálculos específicos para que la computadora cuántica los ejecutara antes de que sus qubits se descodifiquen. A largo plazo, Oliver dice que los códigos de corrección de errores podrían permitir que las computadoras cuánticas funcionen indefinidamente, incluso cuando algunos componentes individuales sigan fallando. “Y ahí es cuando las computadoras cuánticas serán básicamente universales”, dice Oliver. "Podrán ejecutar cualquier algoritmo cuántico a gran escala". Eso podría permitir simulaciones enormemente mejoradas de sistemas complejos en campos como la biología molecular, la química cuántica y la climatología.

Oliver seguirá impulsando la computación cuántica hacia esa realidad. "Hay logros reales que se han estado sucediendo", dice. "Al mismo tiempo, en el aspecto teórico, existen problemas reales que podríamos resolver si tuviéramos una computadora cuántica lo suficientemente grande". Aunque se centró en su misión de ampliar la computación cuántica, Oliver no ha perdido su pasión por la música. Aunque, dice que rara vez canta estos días: "Sólo en la ducha".

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