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Discordia cuántica

La nueva onda de los qubit

Sistemas a temperatura ambiente pueden tener un fragmento cuántico útil para la computación

Eric HELLER / Science Photo LibraryModelo computacional de ondas cuánticas: la dualidad partícula-onda de la materia genera las ganancias potenciales del mundo cuánticoEric HELLER / Science Photo Library

¿Por qué una computadora cuántica podría, en teoría, realizar en minutos, cálculos que las más potentes supercomputadoras no podrían lograr ni en miles de millones de años?

Hasta 2007 parecía que no había otra respuesta posible a esta pregunta, a no ser que se atribuyeran las ventajas de una máquina impulsada por qubits, los bits cuánticos, al enmarañado o entrelazado cuántico, un fenómeno raro y misterioso que aumentaría exponencialmente la capacidad de procesamiento de datos. Partículas, átomos o moléculas descritos como caóticos, se encuentran tan fuertemente unidos entre sí –los físicos utilizan el término correlacionados– que son capaces de intercambiar información, independientemente de si se encuentran uno junto a otro, o a miles de kilómetros de distancia. A pesar de ser poderosa, la conexión también es frágil y solamente se mantiene bajo condiciones especiales, en sistemas extremadamente controlados, que no interactúan con el ambiente externo.

Durante los últimos cinco años, ganó terreno un nuevo concepto destinado a evaluar correlaciones no previstas por las leyes de la física clásica: la discordia cuántica, que actualmente aporta indicios de que quizá sea posible construir dispositivos cuánticos a partir de componentes sin ningún rasgo enmarañado. Y no se trata solamente de eso. Átomos y partículas con cierto nivel de discordia pueden conservar sus propiedades cuánticas a temperatura ambiente, en sistemas macroscópicos, y en situaciones en que exista ruido, entendido aquí como la influencia del medio externo en el sistema.

057_DiscordiaQuantica_193-1Tiago CirilloLa discordia, derivada de un concepto similar de la teoría de la información, es una medida estadística utilizada para determinar si existe algo cuántico en un sistema físico, tal como un conjunto de electrones o moléculas. Los científicos realizan una serie de mediciones para descubrir si existen propiedades típicamente cuánticas, tales como la denominada dualidad partícula-onda, capaces de establecer un canal de comunicación entre algunos de los componentes del sistema. Esa conexión puede ser el propio entrelazamiento, la forma de conexión cuántica más potente que se conoce (aunque de difícil sostenimiento), u otros tipos de correlaciones cuánticas más débiles. La naturaleza exacta de estas correlaciones más leves aún no es conocida por los investigadores, pero existen evidencias de que pueden ser más duraderas que el enmarañado y suficientes para transmitir información.

“Anteriormente al concepto de discordia, muchos investigadores pensaban que los sistemas sin entrelazamiento no podían ser cuánticos”, dice Roberto Serra, de la Universidad Federal del ABC (UFABC), uno de los físicos brasileños que más se han abocado al tema dentro del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de la Información Cuántica (INCT-IQ), una iniciativa sostenida conjuntamente por el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) y por la FAPESP. “Pero estamos develando que, sistemas con algún tipo de discordia (y sin enmarañado) pueden ser robustos y servir como base para aplicaciones en metrología y computación”.

057_DiscordiaQuantica_193-2Tiago CirilloLa discordia cuántica abarca, por ende, toda y cualquier correlación que se encuentra en discrepancia (por ello el nombre del concepto) con las leyes de la física newtoniana, palpables en lo cotidiano. La cantidad de discordia de un sistema, está dada por una ecuación matemática. “Si la medida de discordia fuera diferente de cero, el sistema tiene algo de cuántico”, explica el físico Felipe Fanchini, de la Universidad Federal de Ouro Preto (Ufop), quien ha publicado trabajos teóricos al respecto del nuevo concepto.

Con esa noción de discordia en mente, físicos de todo el mundo, entre quienes se destacan investigadores brasileños con algunos trabajos reciente, están encontrando algo cuántico en sistemas anteriormente percibidos como estrictamente clásicos, es decir, que aparentemente se hallaban regidos solamente por la física newtoniana. Un equipo de científicos del INCT-IQ publicó dos artículos prácticamente seguidos durante el segundo semestre del año pasado en la revista Physical Reviews Letters (PRL) con resultados de experimentos que investigan ese nuevo concepto.

En un artículo del 12 de agosto, Serra, junto con colaboradores del Instituto de Física de São Carlos en la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF), en Río de Janeiro, y de Embrapa, informaron que midieron por primera vez en forma directa, la discordia en un sistema cuántico a aproximadamente 26 grados Celsius, creado mediante el empleo de la técnica de resonancia magnética nuclear. Se trata de un embrión de lo que algún día podría ser una computadora cuántica líquida.

En el laboratorio del CBPF, los investigadores codificaron dos qubits en moléculas de cloroformo (CHCl3), un compuesto incoloro, denso y almibarado utilizado actualmente como solvente y materia prima para la producción de precursores de polímeros tales como el teflón. En rigor, codificaron un bit cuántico en el espín del núcleo del átomo de hidrógeno y otro en el de carbono al aplicarle un campo magnético de 12 teslas, millones de veces mayor que el de la Tierra, al sistema. El espín es una propiedad fundamental de las partículas elementales, tales como los electrones y los fotones, y de los núcleos de los átomos, que se suele representar con una flecha hacia arriba o hacia abajo. “Utilizamos pulsos de campo magnético para manipular el espín del núcleo”, afirma el físico Diogo de Oliveira Soares Pinto, del grupo de los profesores Tito Bonagamba y Eduardo Azevedo, de la USP de São Carlos, quien participó en el experimento. “En las condiciones en que realizamos el trabajo resulta imposible que haya entrelazamiento”.

El 30 de septiembre, un segundo artículo del mismo grupo en la PRL presentó otro resultado interesante, derivado nuevamente de observaciones realizadas en el sistema de dos qubits creado en las moléculas de cloroformo. Los investigadores midieron cambios súbitos en el comportamiento de la discordia cuántica en función del contacto con el medio ambiente. Observaron cómo los efectos cuánticos del sistema iban desapareciendo debido a fluctuaciones y ruidos del ambiente térmico. Al cabo de un tiempo, las interacciones podían modificar los dos qubits, provocando una progresiva pérdida de coherencia del sistema.

En el experimento, los físicos percibieron que la discordia parece ser bastante resistente a ambientes que provocan perturbaciones en el sistema. En los aproximados cinco mililitros de cloroformo utilizados en el experimento, tan sólo una de cada millón de moléculas del compuesto cargaba los qubits codificados en sus átomos. A pesar de hallarse “diluido”, en un sistema que es casi totalmente clásico, el carácter cuántico de la muestra de cloroformo se preserva y puede resultar de utilidad para el desarrollo de aplicaciones. “Cualquier proceso de comunicación debe tener el control sobre las formas de correlación de un sistema”, afirma Ivan Oliveira, del CBPF, uno de los coautores de los dos estudios citados. “Necesitamos separar la parte clásica y la cuántica de la información”.

057_DiscordiaQuantica_193-4Tiago CirilloAún más recientemente, el 10 de febrero de este año, los brasileños publicaron un tercer artículo sobre discordia en la PRL. En esta ocasión, trabajaron con un sistema óptico, para el cual crearon una forma sencilla y directa de verificar si hay o no discordia en fotones, las partículas lumínicas. Se codificaron dos qubits utilizando una propiedad de los fotones, su polarización, si es horizontal o vertical, y se desarrolló un esquema de registro, como una sola medida, si existen o no correlaciones cuánticas en el sistema, un ardid denominado testigo de la discordia. Normalmente, se necesita seccionar el sistema en varias partes, tal como se realiza en una tomografía con fines médicos, y tomar al menos cuatro medidas para descubrir si existe una conexión cuántica entre los fotones. “Ahora, tan sólo con una medida, logramos establecer si podría o no haber discordia”, explica Stephen Walbom, de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), coautor del estudio.

Un concepto ignorado durante años
La idea de la discordia cuántica inicialmente fue propuesta en 2001, por dos grupos de físicos que desarrollaron el concepto en forma independiente, el comandado por Wojciech H. Zurek, del Laboratorio Nacional de Los Alamos, en Estados Unidos, y el liderado por Vlatko Vedral, de la Universidad de Oxford, en Inglaterra. La propuesta no generó mucho impacto en la comunidad científica durante sus primeros años de vida. Se trataba de una idea bastante abstracta sobre un campo de estudio cuyo principal foco de interés giraba en torno del entrelazamiento, un misterioso fenómeno que Albert Einstein describiera como la existencia de una “acción fantasmagórica a distancia”.

En 2007, cuando aparecieron los primeros trabajos experimentales revelando que los sistemas a temperatura ambiente con discordia (y sin entrelazamiento) podían transmitir información por medio de bits cuánticos, gran parte de los físicos releyó los trabajos llevados a cabo seis años antes por Zurek y Vedral. Surgió un boom de interés por el tema. “La discordia cuántica arrojó nueva luz sobre cuestiones que se debatían hacía años”, comenta el físico Amir Caldeira, de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), coordinador del INCT-IQ y autor de trabajos sobre la discordia.

057_DiscordiaQuantica_193-3Tiago CirilloSegún Vlatko Vedral, no todo sistema que presenta discordia cuántica puede manipularse para generar aplicaciones en computación u otros campos. “Debemos ser cuidadosos al escoger los sistemas con los que vamos a trabajar. Este tema todavía está en discusión”, afirma el físico de Oxford. “Para comprender la diferencia que existe entre el mundo clásico y el cuántico, para comprender por qué un gato no puede estar en dos lugares simultáneamente, pero los átomos si pueden, creo que tenemos que ser capaces de discriminar los estados que presentan discordia de los que no la tienen”. Por ahora, los físicos tan sólo saben que ciertos sistemas con discordia (y sin entrelazamiento), tales como las moléculas de cloroformo o los fotones, pueden procesar los tan ansiados bits cuánticos.

El qubit es el análogo cuántico del bit clásico, definido como la menor unidad en que la información puede codificarse, almacenarse y transmitirse en las actuales computadoras y en los sistemas de telecomunicaciones, tales como fibras ópticas o redes inalámbricas. Existen, sin embargo, significativas diferencias entre ambos conceptos. En un momento determinado, un bit clásico, también denominado dígito binario, solamente puede hallarse en uno de dos valores o estados posibles: 0 ó 1, por ejemplo. En las computadoras actuales, el 0 está representado por la interrupción del voltaje en un circuito (estado off) y el 1 por el flujo de la corriente (estado on). Un qubit es algo más que eso. Puede, simultáneamente, representar los valores equivalentes a 0 y 1. Puede presentar una superposición de estados, una rara propiedad cuántica que potencia la realización de cálculos en paralelo. “Los qubits aumentan de manera exponencial la capacidad de la computación”, comenta Roberto Serra. “Simplificando, podríamos decir que dos qubits equivalen a 4 bits, 3 qubits a 8 bits, 4 qubits a 16 bits y así sucesivamente”.

La superposición de estados constituye una capacidad típica de los sistemas cuánticos (tanto estén formados por átomos, electrones, fotones o moléculas) de comportarse concomitantemente como partícula o como onda. De eso se trata la dualidad partícula-onda. La situación se torna menos surrealista cuando se toma como ejemplo la onda generada por una piedra arrojada sobre un lago. Ella genera oscilaciones en la superficie del agua con forma de círculos concéntricos que pueden, al mismo tiempo, atravesar dos puentes vecinos en la orilla del lago. En ese caso, si un puente fuera la representación del número 0 y el otro del 1, parte de la onda es 0 y parte es 1. La onda es 0 y 1 simultáneamente.

Pero una computadora cuántica que ofreciera dos respuestas para un problema tendría poco valor. Al fin y al cabo, tan sólo una de ellas es correcta. Ahí es donde interviene un segundo fenómeno cuántico, la interferencia de ondas. Retomando el ejemplo del lago, luego de atravesar los dos puentes, la onda 1 y la onda 0 se reencuentran. Esa interacción puede resultar destructiva, las ondas se cancelan y el resultado final es 0. O constructiva, las ondas se suman y la respuesta es 1. Los denominados algoritmos cuánticos son instrucciones matemáticas, especies de programas, que aumentan la probabilidad de superposición de estados y de la interacción de ondas para conducir a una respuesta certera al final del procesamiento de datos. ¿Raro? Sí. Bienvenido al mundo cuántico.

d-waveEl envoltorio negro que protege a la computadora cuántica D-Wave One y su chip de 128 qubits: el equipo tiene el doble de la altura de un hombre, ocupa una superficie de 10 metros cuadrados y funciona a una temperatura cercana al cero absolutod-wave

La caja negra de 10 millones de dólares
Con el tamaño de una habitación, la máquina con 128 qubits enmarañados es caracterizada como la primera computadora cuántica comercial

Cuando se cuente la historia de la computación cuántica, probablemente se recuerde el día 25 de mayo de 2011. En esa fecha, la compañía canadiense D-Wave Systems anunció, en el marco de un cierto escepticismo de la comunidad académica, la venta de la autotitulada primera computadora cuántica creada para fines comerciales. En lugar del chip de silicio, tal como sucede con los microprocesadores actuales, la D-Wave One, tal la denominación de la máquina, realiza cálculos explotando las propiedades cuánticas de un procesador con 128 qubits, implementados mediante un conjunto de anillos superconductores de corriente mantenidos a 30 milikelvin, una temperatura cercana al cero absoluto. La primera unidad de la supercomputadora costó supuestamente 10 millones de dólares a la empresa aeronáutica estadounidense Lockheed Martin, que la instaló al final del año pasado en el centro de computación cuántica de la Universidad de California del Sur (USC, su sigla en inglés), en el campus de Marina del Rey.

La D-Wave One es, literalmente, una gran caja negra. El procesador, que mide unos pocos centímetros, se encuentra protegido de las interferencias del medio exterior al hallarse cobijado en un compartimiento cerrado con el doble de la altura de un hombre y 10 metros cuadrados de superficie. Dentro de ese envoltorio con forma de cubo irregular hay sistemas de refrigeración y protección contra la incidencia de campos magnéticos externos, que son los encargados de garantizar las mejores condiciones para el procesado de los qubits.

“El chip cuántico está compuesto por 128 anillos superconductores idénticos, cada uno con un tamaño de 100 micrones (una centésima de milímetro)”, informa el físico teórico Frederico Brito, de la Universidad Federal de Pernambuco (UFPE), quien trabajó en la empresa D-Wave entre mayo de 2008 y julio de 2009. Cuando gira en los anillos en sentido antihorario, la corriente representa un espín hacia arriba (o el 0 de la computación clásica). Cuando corre en el sentido contrario, significa un espín hacia abajo (o el 1). Un dispositivo presente en cada anillo y denominado juntura Josephson genera efectos cuánticos, tales como tunelización e interferencia de ondas, que potencian la capacidad teórica del equipo para la resolución de problemas.

Para algunos físicos, la D-Wave One también es una caja negra en el sentido metafórico. Poca gente sabe cómo funciona la máquina y si en ella realmente ocurre algo cuántico. Para despejar dudas y vencer la reticencia de la comunidad académica, la empresa canadiense publicó un artículo el 12 de mayo del año pasado, menos de dos semanas antes de la divulgación de la venta de su primer computadora, en la prestigiosa revista científica británica Nature. En el trabajo, los científicos de la compañía brindan detalles acerca de la técnica utilizada para generar los 128 qubits. La máquina utiliza la denominada computación cuántica adiabática.

En forma simplificada, este tipo de computación consiste en hacer que un sistema trabaje con el menor nivel de energía posible, en el denominado estado fundamental, generalmente cercano a la temperatura del cero absoluto. Luego, se promueven modificaciones tan lentamente en el sistema que esas alteraciones son capaces de mantener las propiedades cuánticas del dispositivo sin hacerlo funcionar en el siguiente nivel de energía. En el caso de la computadora de la empresa D-Wave, las alteraciones consisten en hacer que la corriente cambie de sentido, del horario al antihorario, o viceversa.

Alrededor de un 85% de los qubits de la máquina ya se encuentran operativos, según Daniel Lidar, director del centro de computación cuántica de la USC. “Todavía no sabemos cuán potente es el procesador”, afirma Lidar. “Pretendemos estudiarlo con suma atención”. La D-Wave One fue desarrollada para buscar las mejores soluciones para ciertos tipos de problemas, tales como el reconocimiento de imágenes y los entramados de proteínas.

Los Proyectos
1. Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de la Información Cuántica (nº 2008/57856-6); Modalidad Proyecto Temático; Coordinador Amir Caldeira – Unicamp; Inversión  R$ 1.384.811,24 (FAPESP) y R$ 5.700.000,00 (CNPq)
2. Información cuántica y decoherencia (nº 2005/04471-1); Modalidad Programa Joven Investigador; Coordinador Roberto Serra – UFABC; Inversión R$ 68.321,95 (FAPESP)

Artículos científicos
AGUILAR. G.H. et al. Experimental estimate of a classicality witness via a single measurement. Physical Review Letters.  v. 108, n. 6, p. 063601-1/ 063601-4. 10 feb. 2012.
AUCCAISE, R. et al. Environment-induced sudden transition in quantum discord dynamics. Physical Review Letters. v. 107, n. 14, p. 140403-1/ 140403-5. 30 sept. 2011.
AUCCAISE, R. et al. Experimentally witnessing the quantumness of correlations. Physical Review Letters. v. 107, n. 7, p. 070501-1/ 070501-5. 12 ago. 2011.

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