LA INVESTIGACIÓN DE DARPA CONDUCE A UN DESCUBRIMIENTO INNOVADOR EN COMPUTACIÓN CUÁNTICA Y DESARROLLA EL PRIMER CIRCUITO LÓGICO QUBIT DEL MUNDO


computación cuántica

(Crédito: Universidad de Harvard/DARPA)

Un equipo de científicos de Harvard que trabajan en un proyecto financiado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa ( DARPA ) ha anunciado un avance significativo en el campo de la computación cuántica .

Los investigadores que trabajan con el programa Optimización con ruido cuántico de escala intermedia (ONISQ) dicen que han creado el primer circuito cuántico del mundo utilizando bits cuánticos lógicos (qubits). La innovación marca un paso significativo hacia la computación cuántica tolerante a fallas y promete revolucionar el diseño de procesadores de computadoras cuánticas. 

Establecido en 2020, DARPA dice que el programa ONISQ tiene como objetivo desarrollar formas de superar las capacidades de las supercomputadoras clásicas para resolver problemas de optimización combinatoria, una clase desafiante de problemas relevantes para los sectores comercial y de defensa. 

“El programa de optimización con dispositivos cuánticos ruidosos de escala intermedia (ONISQ) tiene como objetivo explotar el procesamiento de información cuántica antes de que se realicen computadoras cuánticas totalmente tolerantes a fallas”, escribió DARPA en  documentos  proporcionados durante un evento del Día del Proponente de 2019. “Este esfuerzo perseguirá un concepto híbrido que combine dispositivos cuánticos de tamaño intermedio con sistemas clásicos para resolver un conjunto de problemas particularmente desafiante conocido como optimización combinatoria”. 

A principios de 2020, DARPA otorgó un contrato de 6,3 millones de dólares a ColdQuanta, una empresa de computación cuántica con sede en Colorado, para liderar el proyecto ONISQ. En noviembre de 2023, ColdQuanta cambió su nombre a Infleqtion, cambiando su enfoque a productos comerciales de computación cuántica.

DARPA atribuyó este reciente avance en la computación cuántica a los esfuerzos de colaboración de investigadores de Harvard, MIT, QuEra Computing, Caltech y Princeton. El equipo de investigación estuvo dirigido por el codirector de la Iniciativa Cuántica de Harvard y profesor de física, el Dr. Mikhail Lukin.  

En su investigación, el equipo de ONISQ se centró en los qubits de Rydberg, un tipo de qubits físicos y no lógicos. Gracias a este esfuerzo, desarrollaron con éxito técnicas para crear qubits lógicos de corrección de errores a partir de estos “ruidosos” qubits de Rydberg.

Los qubits lógicos son esenciales para realizar computación cuántica tolerante a fallas, ya que mantienen su estado cuántico a pesar de los errores, lo que los hace confiables para resolver problemas complejos.

El laboratorio de Harvard construyó con éxito circuitos cuánticos compuestos por alrededor de 48 qubits lógicos Rydberg, el mayor conjunto de qubits lógicos hasta la fecha. 

La naturaleza homogénea de los qubits de Rydberg, donde cada qubit se comporta de manera idéntica, ofrece una ventaja significativa sobre otros tipos de qubits, como los qubits superconductores, que son únicos y no intercambiables. Esta homogeneidad permite un escalado rápido y una fácil manipulación utilizando láseres en un circuito cuántico.

El Dr. Mukund Vengalattore, director del programa ONISQ en la Oficina de Ciencias de Defensa de DARPA, destacó el potencial transformador del descubrimiento. 

“Los qubits Rydberg tienen la característica beneficiosa de ser homogéneos en sus propiedades, lo que significa que cada qubit es indistinguible del siguiente en cuanto a su comportamiento”, dijo el Dr. Vengalattore en un  comunicado  emitido por DARPA. “Ese no es el caso de otras plataformas, como los qubits superconductores, donde cada qubit es único y, por tanto, no intercambiable”.

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Vista aérea del experimento de Harvard financiado por el programa ONISQ de DARPA, que presenta rutas ópticas para una arquitectura de computación cuántica novedosa y reconfigurable
(Fuente de la imagen: DARPA/vis Universidad de Harvard)

Según el Dr. Vengalattore, los qubits de Rydberg pueden reconfigurarse dinámicamente y transportarse a través del circuito cuántico utilizando pinzas láser, lo que permite operaciones que no se limitan a procesos secuenciales. Esta capacidad abre nuevos paradigmas en el diseño de procesadores de computación cuántica escalables.

El Dr. Guido Zuccarello, asesor técnico del programa ONISQ, elogió el enfoque exploratorio de DARPA por desempeñar un papel crucial en desbloquear el potencial de los qubits Rydberg en la computación cuántica.

“Si alguien hubiera predicho hace tres años, cuando comenzó el programa ONISQ, que los átomos neutros de Rydberg podrían funcionar como qubits lógicos, nadie lo habría creído”, dijo el Dr. Zuccarello. “Es la forma de DARPA de apostar por el potencial de estos qubits menos estudiados junto con los iones y circuitos superconductores mejor estudiados. Como programa exploratorio, ONISQ brindó a los investigadores la libertad de explorar aplicaciones nuevas y únicas más allá del simple enfoque de optimización”. 

“Como resultado, el equipo dirigido por Harvard pudo aprovechar mucho más el potencial de estos qubits Rydberg y convertirlos en qubits lógicos, lo cual es un descubrimiento muy significativo”.

Si bien se necesitan mucho más de 48 qubits lógicos para abordar los problemas previstos para las computadoras cuánticas, los investigadores dicen que la revolucionaria llegada de los primeros cuánticos con corrección de errores “traza un camino hacia los procesadores lógicos a gran escala”.

El avance también desafía la creencia tradicional de que se necesitan millones de qubits físicos para la computación cuántica tolerante a fallas. Gracias a los circuitos cuánticos reconfigurables dinámicamente, la cantidad de qubits lógicos necesarios para resolver problemas específicos podría ser mucho menor de lo que se pensaba anteriormente.

DARPA atribuyó la aplicación acelerada de las técnicas de detección cuántica de Rydberg al compromiso de casi veinte años de la agencia con la investigación cuántica y la reducción de las brechas entre la detección cuántica y la ciencia de la información cuántica. 

Según el Dr. Vengalattore, los investigadores de ONISQ podrían aprovechar una “rica caja de herramientas de conocimiento cuántico” desarrollada a través de múltiples programas DARPA. 

“Esta caja de herramientas incluía conocimientos técnicos y fundamentales profundos de muchos programas DARPA, incluidos OLE [Emulador de celosía óptica], QuASAR [Detección y lectura asistidas cuánticamente], ATN [Todos juntos ahora] y DRINQS [Sistemas cuánticos impulsados ​​y sin equilibrio]”. El Dr. Vengalattore dio más detalles.

Los detalles técnicos del avance del equipo de Harvard se detallan en un artículo publicado en  Nature , que ofrece un vistazo al futuro de la computación cuántica. 

En última instancia, la llegada de la computación cuántica revolucionará el mundo de maneras profundas similares al impacto transformador de Internet. 

El salto tecnológico promete un cambio de paradigma en la potencia y la eficiencia del procesamiento al aprovechar los fenómenos de la mecánica cuántica, redefiniendo nuestro enfoque para la resolución de problemas en diversos campos, desde la criptografía hasta la ciencia de los materiales y más.

Los expertos creen que los efectos dominó de la computación cuántica probablemente impregnarán todos los aspectos de la sociedad, remodelando potencialmente las industrias, las economías y la vida cotidiana, marcando una nueva era en el progreso tecnológico humano.

Como señala el Dr. Vengalattore, este reciente descubrimiento no es sólo un fin sino un paso más hacia hacer realidad la computación cuántica. 

“Por muy emocionantes y transformadores que sean estos resultados, los vemos como un paso hacia una visión a más largo plazo de actualizar vías disruptivas hacia la computación cuántica con corrección de errores y otras áreas de la tecnología cuántica”.

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