Las computadoras cuánticas están a punto de convertirse en superpotencias computacionales, pero los investigadores llevan mucho tiempo buscando un problema viable que confiera una ventaja cuántica, algo que sólo una computadora cuántica puede resolver. Sólo entonces, argumentan, la tecnología finalmente se considerará esencial.

Han estado buscando durante décadas. "Parte del motivo por el que es un desafío es que las computadoras clásicas son bastante buenas en muchas de las cosas que hacen", dijo Juan Preskill, físico teórico del Instituto de Tecnología de California.

En 1994, Peter Shor descubrió una posibilidad: un algoritmo cuántico para factorizar números grandes. El algoritmo de Shor es potente y se cree ampliamente que supera a todos los algoritmos clásicos; cuando se ejecuta en una computadora cuántica, tiene el potencial de romper gran parte de los sistemas de seguridad de Internet, que dependen de la dificultad de factorizar grandes números. Pero por muy impresionante que sea, el algoritmo sólo es relevante para una pequeña porción de áreas de investigación, y es posible que mañana alguien encuentre una manera eficiente de factorizar números grandes en una máquina clásica, lo que hace que el algoritmo de Shor sea discutible. La limitada aplicabilidad de Shor ha llevado a la comunidad investigadora a buscar otros casos de uso para máquinas cuánticas que realmente podrían ayudar a realizar nuevos descubrimientos científicos.

"No queremos construir una computadora sólo para una sola tarea", dijo Soon-won Choi, físico del Instituto Tecnológico de Massachusetts. "Aparte del algoritmo de Shor, ¿qué más podemos hacer con una computadora cuántica?"

Como dice Preskill: "Tenemos que encontrar aquellos problemas que son clásicamente difíciles, pero luego tenemos que [mostrar] que los métodos cuánticos serán realmente eficientes".

Algunas veces, los investigadores pensaron que lo habían logrado y descubrieron algoritmos cuánticos que podían resolver problemas más rápido que cualquier cosa que pudiera hacer una computadora clásica. Pero entonces alguien (a menudo el joven investigador) Ewin Tang – se le ocurrieron nuevos e inteligentes algoritmos clásicos que podrían superar a los cuánticos.

Ahora, un equipo de físicos que incluye a Preskill puede haber Encontré al mejor candidato hasta el momento. por la ventaja cuántica. Al estudiar la energía de ciertos sistemas cuánticos, descubrieron una pregunta específica y útil que es fácil de responder para una máquina cuántica, pero aún difícil para una clásica. "Este es un gran avance en la teoría de los algoritmos cuánticos", dijo sergey bravii, físico teórico e informático de IBM. "Su resultado es una ventaja cuántica para un problema relevante para la química y las ciencias de los materiales".

Los investigadores también están entusiasmados de que el nuevo trabajo explore nuevas áreas inesperadas de las ciencias físicas. "Esta nueva capacidad es cualitativamente diferente [a la de Shor] y potencialmente abre muchas oportunidades nuevas en el mundo de los algoritmos cuánticos", dijo Choi.

El problema tiene que ver con las propiedades de los sistemas cuánticos (típicamente átomos) en diversos estados energéticos. Cuando los átomos saltan entre estados, sus propiedades cambian. Podrían emitir un color de luz determinado, por ejemplo, o volverse magnéticos. Si queremos predecir mejor las propiedades del sistema en varios estados de energía, es útil comprender el sistema cuando está en su estado menos excitado, al que los científicos se refieren como estado fundamental.

"Muchos químicos, científicos de materiales y físicos cuánticos están trabajando para encontrar estados fundamentales", dijo roberto huang, uno de los autores del nuevo artículo y científico investigador de Google Quantum AI. "Se sabe que es extremadamente difícil".

Es tan difícil que, después de más de un siglo de trabajo, los investigadores todavía no han encontrado un enfoque computacional eficaz para determinar el estado fundamental de un sistema a partir de los primeros principios. Tampoco parece haber ninguna manera de que una computadora cuántica lo haga. Los científicos han llegado a la conclusión de que encontrar el estado fundamental de un sistema es difícil tanto para los ordenadores clásicos como para los cuánticos.

Pero algunos sistemas físicos exhiben un panorama energético más complejo. Cuando se enfrían, estos sistemas complejos se contentan con asentarse no en su estado fundamental, sino más bien en un nivel de energía bajo cercano, conocido como nivel de energía mínimo local. (Parte del Premio Nobel de Física de 2021 se otorgó por el trabajo en uno de esos conjuntos de sistemas, conocido como gafas giratorias.) Los investigadores empezaron a preguntarse si la cuestión de determinar el nivel mínimo de energía local de un sistema también era universalmente difícil.

Las respuestas comenzaron a surgir el año pasado, cuando Chi Fang (Anthony) Chen, otro autor del artículo reciente, ayudó a desarrollar una nueva algoritmo cuántico que podría simular la termodinámica cuántica (que estudia el impacto del calor, la energía y el trabajo en un sistema cuántico). "Creo que mucha gente ha [investigado] la cuestión de cómo se ve el panorama energético en los sistemas cuánticos, pero anteriormente no existía ninguna herramienta para analizarlo", dijo Huang. El algoritmo de Chen ayudó a abrir una ventana a cómo funcionan estos sistemas.

Al ver cuán poderosa era la nueva herramienta, Huang y leo zhou, el cuarto y último autor del nuevo artículo, lo utilizó para diseñar una forma para que las computadoras cuánticas determinen el estado de energía mínima local de un sistema, en lugar de perseguir el estado fundamental ideal, un enfoque que se centró precisamente en el tipo de pregunta que los investigadores de la computación cuántica estaban buscando. "Ahora tenemos un problema: encontrar una cantidad local de energía, lo que todavía es difícil desde el punto de vista clásico, pero que podemos decir que es cuánticamente fácil", dijo Preskill. "Así que eso nos coloca en el campo donde queremos estar para lograr una ventaja cuántica".

Dirigidos por Preskill, los autores no sólo demostraron el poder de su nuevo enfoque para determinar el estado energético mínimo local de un sistema (un gran avance en el campo de la física cuántica), sino que también demostraron que éste era finalmente un problema en el que las computadoras cuánticas podrían demostrar su valor. "El problema de encontrar un mínimo local tiene una ventaja cuántica", afirmó Huang.

Y a diferencia de los candidatos anteriores, éste probablemente no será destronado por ningún nuevo algoritmo clásico. "Es poco probable que se descuantifique", dijo Choi. El equipo de Preskill hizo suposiciones muy plausibles y dio pocos pasos lógicos; Si un algoritmo clásico puede lograr los mismos resultados, significa que los físicos deben estar equivocados en muchas otras cosas. "Ese será un resultado impactante", dijo Choi. "Me emocionará verlo, pero será demasiado impactante para creerlo". El nuevo trabajo presenta un candidato viable y prometedor para demostrar la ventaja cuántica.

Para ser claros, el nuevo resultado sigue siendo de naturaleza teórica. Actualmente, demostrar este nuevo enfoque en una computadora cuántica real es imposible. Llevará tiempo construir una máquina que pueda probar exhaustivamente la ventaja cuántica del problema. Entonces, para Bravyi, el trabajo apenas comienza. "Si nos fijamos en lo que pasó hace cinco años, sólo teníamos unas pocas computadoras cuánticas de qubits, y ahora ya tenemos cientos o incluso 1,000 máquinas de qubits", dijo. “Es muy difícil predecir lo que sucederá dentro de cinco o diez años. Es un campo muy dinámico”.

Corrección: Marzo 12, 2024
Este artículo ha sido editado para describir más claramente la búsqueda de un problema con ventaja cuántica.