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Esta empresa de miles de millones de dólares planea construir computadoras cuánticas gigantes a partir de luz. ¿Podría funcionar?

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PsiCube, un prototipo del gabinete criogénico de PsiQuantum instalado en las instalaciones de PsiQuantum en Daresbury, Reino Unido, es el sistema intermedio a través del cual se obtuvieron los resultados fotónicos de silicio de última generación de PsiQuantum.

Un prototipo de gabinete criogénico en el que PsiQuantum está probando la computación cuántica utilizando luz encontrada en chips de silicio.Crédito: Psi Cuántica

Durante sus años en el mundo académico, Jeremy O'Brien dice que “no tenía absolutamente ninguna ambición de dedicarse a los negocios”. Hoy, sin embargo, el físico australiano dirige una empresa privada de computación cuántica, en la que los financiadores de capital de riesgo y los gobiernos se han apresurado a invertir, y que ofrece algunas de las promesas más audaces en este campo.

En los torbellinos de nueve años transcurridos desde que O'Brien fundó PsiQuantum con tres colegas académicos, la compañía ha recaudado silenciosamente más de mil millones de dólares y se valora a sí misma en más de 3 mil millones de dólares, lo que significa que sus arcas pueden rivalizar con las de los esfuerzos internos de computación cuántica de Google. O IBM. Sólo el año pasado, PsiQuantum, que tiene 350 empleados y tiene su sede en Palo Alto, California, obtuvo importantes inversiones de gobiernos de Australia y Estados Unidos, además de rondas de financiación privadas anteriores. “Obtuvieron una de las mayores inversiones de capital de riesgo en la comunidad cuántica”, dice Doug Finke, un científico informático del condado de Orange, California, que trabaja en la firma de análisis de negocios Global Quantum Intelligence.

Toda esta inversión persigue un objetivo audaz: utilizar la luz contenida en chips de silicio para crear una supercomputadora programable que pueda superar a las máquinas clásicas, y lo hará pronto. Para finales de 2027, dijeron los investigadores de la compañía. naturalezaPsiQuantum pretende impulsar una computadora cuántica fotónica que pueda ejecutar problemas comercialmente útiles y que sea “tolerante a fallas”: es decir, que haga posibles los cálculos corrigiendo los errores inherentes a estos frágiles sistemas. Si tienen éxito, esto colocaría a la empresa por delante de sus principales competidores y de los investigadores que se ocupan de problemas de juegos en computadoras cuánticas de pequeña escala.

Sin embargo, en comparación con sus competidores, PsiQuantum mostró muy poco. En lugar de construir de forma incremental, como lo han hecho otros, presentando sistemas compuestos por decenas o cientos de qubits, PsiQuantum pretende dar el salto a una máquina que requiera algo del orden de un millón de qubits. (Los investigadores de PsiQuantum no han publicado un número específico). Para hacer esto, necesitará superar desafíos técnicos que no se ha demostrado que pueda resolver, dice Zhao Yang Lu, físico que trabaja en computación cuántica fotónica en la Universidad de Ciencia y Tecnología. Tecnología China en Shanghai. Es uno de los muchos científicos a los que les preocupa que la empresa esté prometiendo cosas que tendrá dificultades para cumplir.

“Mi impresión es que hay mucho escepticismo sobre el progreso que ha logrado PsiQuantum”, dice Shimon Kolkowitz, físico cuántico de la Universidad de California, Berkeley. Califica la apuesta por ellos como “extremadamente alta”.

Los investigadores de PsiQuantum dicen que la empresa logró más de lo que mostró públicamente y que los financieros examinaron sus planes. El propio O'Brien habla de los desafíos en tiempo pasado e insiste en que no hay dudas sobre el éxito. Algunos investigadores independientes creen que sus planes son al menos plausibles. “Creo que es una apuesta increíble”, dice Pascal Senelart, físico óptico cuántico del Centro Nacional Francés de Investigación Científica en Paliseau. “Realmente vale la pena explorarlo”.

qubits voladores

El enfoque de PsiQuantum difiere radicalmente del de algunos de sus principales competidores (ver “Comparación de computadoras cuánticas” al final de este artículo) debido a su elección del qubit, la unidad básica de información cuántica. Mientras que los números binarios (bits) en las computadoras clásicas codifican 1 o 0, los qubits se pueden colocar en una “superposición”, existiendo en dos estados a la vez, una combinación de 1 y 0, con una probabilidad medida como: También. Los cálculos provienen de que estos qubits están “entrelazados”, lo que significa que sus estados cuánticos quedan intrínsecamente vinculados e interconectados. Para evitar que los errores arruinen los cálculos, una computadora cuántica necesitaría alrededor de 10.000 qubits físicos trabajando juntos para crear cada qubit “lógico” útil, dice O'Brien. Con unos cientos de dispositivos de este tipo, los investigadores esperan que los ordenadores cuánticos puedan realizar cálculos complejos, como modelar procesos químicos a nivel cuántico, que serían demasiado difíciles para una máquina clásica.

Muchas empresas en este campo fabrican sus qubits a partir de átomos, iones o pequeños anillos de material superconductor, en cada caso, un objeto físico con cierta masa, a menudo fijo en un lugar. Pero PsiQuantum es una de las pocas empresas que utiliza partículas de luz sin masa, o fotones, que a veces se conocen como qubits voladores.

La idea de utilizar la luz como qubit no es nueva. A principios de la década de 2000, la computación cuántica fotónica fue una de las primeras plataformas exploradas experimentalmente. Algunos de los fundadores de PsiQuantum estuvieron involucrados en el nacimiento de este campo, dice Senelart, cofundador de Quandela, una empresa con sede cerca de París que fabrica computadoras cuánticas fotónicas.

Hacer una computadora cuántica usando luz es “bastante fácil en papel”, dice. PsiQuantum crea qubits utilizando un dispositivo óptico llamado divisor de haz para enviar un fotón a la vez a lo largo de dos caminos (conocidos como guías de ondas) grabados en el silicio. Como los fotones no tienen carga ni masa, el entorno que los rodea no les afecta en gran medida. Esto significa que incluso a temperatura ambiente, los qubits basados ​​en fotones son insensibles a muchos de los tipos de ruido que afectan a los dispositivos de la competencia. Esta capacidad de preservar información cuántica y viajar largas distancias rápidamente facilita la construcción de sistemas grandes y rápidos. “Eso es una gran ventaja”, afirma Senelart.

Pero los fotones también presentan obstáculos. Es difícil generar fotones únicos casi idénticos bajo demanda. Se absorbe y se pierde fácilmente. Lograr que las partículas voladoras interactúen es un desafío. Aunque las ondas de luz interfieren entre sí, este tipo de interacción por sí sola no es suficiente para construir puertas de múltiples qubits, ya que los qubits se entrelazan para formar operaciones lógicas básicas.

Para generar fotones, la empresa bombea luz láser a través de silicio. Estas fuentes son probabilísticas: producen pares de fotones quizás una vez cada 20 ensayos. Tener un par es esencial porque el fotón de repuesto, o “heraldo”, proporciona una alerta que permite a la computadora utilizar el fotón restante.

Con esta estrategia, cada chip necesita muchas de estas fuentes, así como guías de onda ultraeficientes y componentes ópticos que puedan manejar fotones sin perderlos.

Para realizar operaciones lógicas, PsiQuantum primero construye conjuntos de qubits fotónicos entrelazados juntando fotones para que sus ondas de luz se superpongan y luego realizando mediciones en algunos de ellos de manera que enreden los qubits restantes. Luego se realizan los cálculos realizando una serie de estas mediciones en pares de fotones de diferentes combinaciones. Estas mediciones destruyen pares, pero entrelazan sus combinaciones, una técnica conocida como computación cuántica basada en fusión (ver 'Computadoras cuánticas con 'qubits voladores'). PsiQuantum tiene un equipo impresionante trabajando en el desarrollo de la teoría detrás de esta computadora, dice Senelart. “Se les ocurren muchos planes inteligentes”, dice.

Computadoras cuánticas con

El enfoque de PsiQuantum genera y destruye fotones constantemente, y cada qubit tiene que sobrevivir sólo el tiempo suficiente para ser entrelazado o medido con otro, no mientras dure el cálculo. Aunque todo proceso implica un elemento de azar, la pérdida de fotones, es posible detectar fallas como parte de la medición, dice Mercedes Jimeno Segovia, física de PsiQuantum, que trabaja en arquitectura de computadoras.

“Es una manera increíblemente indulgente de hacer computación cuántica”, dice Andrew White, físico óptico de la Universidad de Queensland en Brisbane, Australia, y ex colega académico de O'Brien. “Se pueden tomar tasas de error muy altas y aun así tener un amplio rango”.

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Google revela cómo las computadoras cuánticas pueden vencer a las mejores supercomputadoras actuales

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El procesador cuántico de Google "sicomoro" Se sostiene con un par de manos con guantes protectores.

El procesador Sycamore de Google utiliza bits cuánticos, o qubits, para ejecutar algoritmos.Fotografía: Peter Knievel/DPA/Alamy

Desde que se idearon las primeras computadoras cuánticas a principios de la década de 1980, los investigadores han estado esperando el día en que tales dispositivos pudieran… Resolver problemas que son demasiado difíciles para las computadoras clásicas.. En los últimos cinco años, las máquinas finalmente han comenzado a desafiar a sus primas clásicas, aunque la victoria final sobre ellas sigue siendo difícil de alcanzar.

Ahora, en el último capítulo de la batalla para lograr esta “ventaja cuántica”, los investigadores de Google dicen haber identificado las condiciones bajo las cuales es posible Computadoras cuánticas Pueden vencer a sus homólogos clásicos. Para comprender estas condiciones, utilizaron un procesador de computación cuántica llamado Sycamore para ejecutar muestreo de circuito aleatorio (RCS), un algoritmo cuántico simple que esencialmente genera una secuencia aleatoria de valores.

El equipo analizó la salida del Sycamore y descubrió que cuando se operaba en un modo con mucha interferencia de ruido mientras se realizaba RCS, las supercomputadoras clásicas podían “rotarlo” o dominarlo. Pero cuando el ruido se redujo a un cierto umbral, los cálculos de Sycamore se volvieron lo suficientemente complejos como para falsificarlos se volvió prácticamente imposible; según algunas estimaciones, la supercomputadora clásica más rápida del mundo tardaría diez billones de años. Resultado, Reportado por primera vez en la edición preimpresa. En el servidor arXiv el año pasado, publicado hoy en naturaleza1.

Los especialistas cuánticos dijeron que esto es una prueba convincente de que Sycamore es capaz de superar a cualquier computadora clásica que utilice RCS. naturaleza. En 2019, Google informó que su computadora cuántica podría ejecutar RCS y lograr una ventaja cuántica, pero desde entonces las computadoras clásicas han podido ejecutar el algoritmo más rápido de lo esperado, eliminando la supuesta ventaja. “Esta vez, Google ha hecho un muy buen trabajo al aclarar y abordar muchos de los problemas conocidos con RCS”, dice Michael Voss-Vieg, investigador de computación cuántica en la empresa de software Quantinum, con sede en Broomfield, Colorado. . Dice que los nuevos resultados muestran cuánto ruido pueden hacer las computadoras cuánticas y aún superan a las computadoras clásicas.

La competencia actual entre las computadoras clásicas y cuánticas ha sido una fuerza impulsora en este campo, dice Zhao Yanglu, físico cuántico de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Shanghai. Ha motivado a los investigadores a construir computadoras cuánticas más grandes y de mayor calidad.

El último hallazgo de Google no significa que las computadoras cuánticas reemplazarán a las tradicionales. Por ejemplo, Sycamore no puede realizar operaciones típicas de una computadora normal, como almacenar imágenes o enviar correos electrónicos. “Las computadoras cuánticas no son más rápidas, son diferentes”, dice Sergio Puixo, jefe de los esfuerzos de computación cuántica de Google en Santa Bárbara, California. En última instancia, estos dispositivos pretenden realizar tareas clásicamente imposibles pero útiles, como simular perfectamente reacciones químicas.

Crecimiento exponencial

El procesador Sycamore se parece a los chips de silicio que alimentan las computadoras portátiles de todos los días, pero está hecho a medida para controlar los electrones que fluyen a través de él con precisión cuántica. Para reducir las fluctuaciones de temperatura que destruirían los estados sensibles de los electrones e introducirían ruido, el chip se mantiene a temperaturas extremadamente frías cercanas al cero absoluto.

En lugar de utilizar bits clásicos (que siempre son 0 o 1) como lo hace una computadora normal, un chip cuántico se basa en qubits, que explotan la capacidad de los electrones de existir en una mezcla de estados. Una computadora cuántica puede realizar algunas tareas con muchos menos qubits que los bits que necesita una computadora clásica. Por ejemplo, para ejecutar el algoritmo RCS, una computadora clásica necesitaría 1024 qubits y una computadora cuántica necesitaría 10 qubits.

Hace cinco años, un equipo de investigadores de Google informó naturaleza2 Para igualar un RCS de 200 segundos ejecutándose en su computadora de 53 qubits, una supercomputadora clásica tardaría 10.000 años. Casi de inmediato, esta afirmación fue criticada; Investigadores del gigante tecnológico IBM han publicado una versión preliminar en línea3antes de la revisión por pares, que sugirió que la supercomputadora podría completar la tarea en días. En junio, Lu y sus colegas utilizaron potentes ordenadores clásicos para falsificar el resultado en poco más de un minuto.4.

El resultado de Google de 2019 no es el único que cae en la clásica trampa del plagio. En junio de 2023, investigadores de IBM y otros proporcionaron pruebas5 Que su computadora tiene 127 qubits Puede resolver problemas matemáticos potencialmente útiles. Lo cual estaba “más allá de los cálculos clásicos de fuerza bruta”. En cuestión de semanas, múltiples estudios6,7 Demuestre que los estilos clásicos aún pueden competir.

Alta precisión

Boixo y sus colegas querían comprender cómo el ruido hace que los ordenadores cuánticos sean vulnerables al plagio clásico. Descubrieron que incluso pequeñas variaciones en el ruido del qubit (que van desde una tasa libre de errores del 99,4% al 99,7%) hacían que el sicomoro se comportara como si estuviera en un nuevo estado, similar a la transición de la materia de un estado sólido a un estado líquido.

“Qué [the noise] “Lo que hace es transformar el sistema en algo más clásico”, afirma Boixo. Una vez que una versión mejorada de 67 bits de Sycamore superó un cierto umbral de ruido, su salida RCS se volvió imposible de emular de forma clásica.

En los últimos años, los intentos de superar a las supercomputadoras clásicas también se han centrado en reducir el ruido de los qubits. Foss-Feig y sus colegas ejecutaron RCS en una computadora cuántica equipada con 56 qubits de bajo error8. Con mejores qubits, “al menos para RCS, los ordenadores clásicos ya no pueden seguir el ritmo de los ordenadores cuánticos”, afirma.

Los investigadores esperan que algún día las computadoras cuánticas sean lo suficientemente grandes y estén libres de errores para trascender la guerra cuántica clásica. Por ahora, se prepararán para la batalla. Si no puedes ganar una función con RCS, que es la aplicación más simple, “no creo que puedas ganar con ninguna otra aplicación”, dice Boekso.

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Una nueva fuente de luz avanza en las comunicaciones cuánticas utilizando fotones entrelazados extremadamente brillantes

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Avances recientes en Cantidad La tecnología de las comunicaciones ha permitido a los científicos desarrollar con éxito una fuente de luz extremadamente brillante capaz de generar fotones cuánticos entrelazados. Esta innovación es muy prometedora para el futuro de las comunicaciones cuánticas seguras y de alta velocidad. El estudio, publicado el 24 de julio en la revista eLight, revela cómo la combinación de tecnologías existentes creó una fuente de señal cuántica más poderosa, lo cual es crucial para construir una Internet cuántica eficiente y a gran escala.

Combinando técnicas para mejorar las señales cuánticas

En este proyecto pionero investigaciónCientíficos de Europa, Asia y América del Sur han combinado dos tecnologías clave que anteriormente se habían probado de forma aislada. Combinaron un emisor puntual de fotones, que genera fotones individuales, con un resonador cuántico, un dispositivo diseñado para mejorar una señal cuántica. Esta combinación dio como resultado una fuente de luz recientemente desarrollada con un brillo y propiedades cuánticas excepcionales. Además, se utilizó un motor piezoeléctrico, que genera electricidad cuando se expone a presión o calor, para ajustar los fotones emitidos, asegurando el máximo entrelazamiento y cohesión.

Fotón mejorado emisor Produce pares de fotones con alta precisión de entrelazamiento y alta eficiencia de extracción. Esto significa que los fotones no sólo mantienen su firma cuántica a través de la distancia, sino que también tienen el brillo necesario para aplicaciones prácticas. Lograr simultáneamente un alto brillo y una fuerte resolución de entrelazado fue una tarea difícil, ya que generalmente requería diferentes tecnologías que eran difíciles de combinar de manera efectiva.

Desafíos y direcciones futuras

A pesar de estos avances, la implementación práctica de la Internet cuántica aún está muy lejos. Esta tecnología se basa en materiales como el arseniuro de galio, lo que genera preocupaciones de seguridad debido a sus propiedades tóxicas. Estos riesgos pueden limitar la escalabilidad de la tecnología, lo que requerirá el desarrollo de materiales alternativos más seguros.

La siguiente etapa del proceso de desarrollo se centrará en integrar una estructura similar a un diodo con el actuador piezoeléctrico. Esta adición tiene como objetivo crear un campo eléctrico a través de los puntos cuánticos, contrarrestando la pérdida de coherencia y mejorando aún más el entrelazamiento de los fotones.

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