Quizá ya sepas lo que es qubit, la unidad fundamental de la informática cuántica. Tal como lo sugiere su nombre, un qubit en una computadora cuántica cumple la misma función que el bit en una computadora clásica, con una diferencia principal: los qubits se pueden tratar como 0 o 1 simultáneamente, lo que permite que los sistemas cuánticos procesen la información mucho más rápido que el más veloz de los sistemas clásicos.
Pero además existe el qudit, una forma diferente de almacenar y usar la información cuántica. Gizmodo habló con Christine Muschik, investigadora cuántica del Instituto Perimeter de Física Teórica en la Universidad de Waterloo, Ontario, quien nos explicó sobre la unidad de computación que podría capitalizar un principio clave de los sistemas cuánticos para hacer computación más complicada de la que son capaces las computadoras clásicas.
El equipo de Muschif publicó su investigación en Nature Physics la semana pasada, que dicen “abrió las puertas a las simulaciones cuánticas de hardware eficiente en teorías de recalibración con qudits en dispositivos cuánticos de corto plazo. El nuevo trabajo de Muschik llega después del trabajo sobre el mismo tema en 2021 que se publicó en PRX Quantum.
Resumimos la conversación telefónica entre Gizmodo y Muschik:
G: Sé que publicaron su trabajo, pero ante todo ¿podríamos saber qué significa el término qudit?
CM: Queremos que la computación sea tan eficiente y potente como se pueda. La misión, entonces, es que la computación sea potente, tanto como sea posible. El primer paso, por supuesto, es que pensamos que las computadoras cuánticas tienen la oportunidad de ser más potentes,pero en camino a aprovechar la cuántica ¿cómo podría hacerse eso de la manera más eficiente? El campo se inspiró en cómo trabajan las computadoras comunes, donde tienes ceros y unos, y con eso haces operaciones lógicas. Casi todas las computadoras cuánticas funcionan también con ceros y unos pero añades a eso el bit cuántico. El cero y el uno pueden superponerse y luego, en lugar de un bit, tienes un qubit. Pero la filosofía es la misma. Tienes cero y uno, y así procesas la información.
Ahora tienes qudits, con una “d” porque ¿por qué detenernos en dos niveles? ¿No podríamos avanzar más? En las computadoras cuánticas modernas codificas los qubits y tienes solo dos niveles, ignorando todos los demás. Pero ¿qué pasa si no ignoras todos los otros y codificas en ellos la información? Empezamos por el qutrit, solo un nivel más, que es un único transportador de información ahora con tres niveles, tres posibles estados.
G: Si tratas a cada uno como una forma diferente de codificar la información, suena a que exponencialmente puedes codificar más información.
CM: Puedes hacer que entre más información utilizando más niveles, pero no exponencialmente más. Si yo te mandara un bit, te puedo enviar un sí o un no, pero si te envío un qutrit, mis opciones son sí, no, y tal vez.
G: ¿Cómo cambia eso la operación de una computadora cuántica?
CM: Hay que pagar un precio, y está la recompensa que cosechas. Tienes más control en más niveles, pero la recompensa es que tienes una cantidad de transportadores de información – un registro – que es mucho más compacto.
Lo más importante es que la complejidad de tu circuito se encoge. Nos dedicamos a diseñar circuitos lógicos y lo que todo el tiempo nos crea obstáculos a mi equipo y a mí es que el circuito, si se hace demasiado largo, es como un cuello de botella. Las computadoras cuánticas no se corrigen y cada vez que haces una operación, introduces ruido. Si tu circuito es muy, muy largo, estás acumulando tanto ruido que al final verás solo ruido y no, la respuesta. Es nuestro dolor de cabeza.
Lo que vimos con estos qudits es que como la información se manipula de manera tan eficiente, es como si pusieras tu circuito a dieta. Todo es más eficiente, con resultados más rápidos y con menos ruido.
G: Ahora, hablando de la investigación, ¿qué es lo que hallaron? ¿En qué han movido la aguja con esta idea?
CM: Queríamos simular la interacción de partículas fundamentales, pero es difícil hacerlo en una computadora cuántica por el mucho ruido. Queríamos las interacciones y el otro equipo estaba construyendo una computadora cuántica de qudits. Nos unimos.
Creo que nuestros resultados movieron la aguja de dos formas. Podíamos simular interacciones de partículas fundamentales más allá de 1D, y fue lo primero que nos propusimos, pero accidentalmente logramos algo más: el primer algoritmo total de qudit. Sumamos todo y lo probamos, todo el algoritmo. Ahora tenemos capacidad de computación en la que podemos aplicarlo.
G: Iba a preguntar por las aplicaciones ahora que derivaron esto.
CM: Lo obvio está en la física de partículas donde puedes simular muchas cosas. Pero hay otros problemas que puedes simular, como en la ciencia material y las químicas. También es muy útil en la idea de los entusiastas cuánticos de la internet cuántica que la gente intenta construir. En la comunicación cuántica puedes hacer que la información sea más segura. Lo vimos el año pasado en un taller conjunto en el Instituto de Computación Cuántica y el Instituto Perimeter, donde unimos gente experimental, teóricos, y usuarios. Esta semana empezamos a escribir un trabajo de perspectivas porque queremos hacer un mapa de la utilidad de los qudits en diferentes áreas de la tecnología cuántica. Y de lo que falta,porque hay brechas, agujeros y en algunos casos, cañones de información que falta. ¿Cómo mitigar errores, cómo logras el control óptimo, la corrección de errores? Hay mucho por aprender.
G: ¿Cómo se emparejan estas simulaciones y marcos teóricos con los experimentos del mundo real en lugares como el CERN o LCLS, lugares donde colisionan partículas y ven las interacciones subatómicas?
CM: Todas nuestras computadoras cuánticas son como pruebas del concepto. Pequeñas y ruidosas. Estamos muy limitados por lo que podemos hacer. Podemos demostrar que funciona, pero no más allá de las más potentes computadoras clásicas. Ni siquiera más que mi laptop. Por un tiempo las computadoras clásicas estarán por delante de las cuánticas, pero eventualmente llegarán a una valla. Cuando hayamos construido una computadora cuántica, no habrá obstáculos. Hay colisiones de partículas en CERN, la computadora cuántica, esperemos que basada en qudits, que pueden predecir la colisión y puedes comparar eso con los experimentos. Por ejemplo, simulamos la creación de pares partícula-partícula, algo que no podemos ver todavía en experimentos. En el futuro habrá experimentos que rasgan pares partícula-antipartícula en QED del vacío y queremos la comparación con ese experimento.
Sin embargo hay problemas en los que la computadora clásica es tan buena que no hay razón por la que construirías una carísima computadora cuántica. Pero si tienes condiciones con mucha materia o algo dinámico, como una estrella de neutrones o el inicio del universo, la computación de física de partículas regular ya no sirve.
G: Mencionaste que los qudits entrarían en juego cuando hablamos de colisiones de partículas. ¿Hay otras estrategias o trabajos de computación quántica que podrían competir en ese espacio?
CM: Oh, son muy compatibles. Hay quienes piensan que los qubits y qudits competirán, pero tuvimos una computadora cuántica con registros compuestos por ambos. Digo que es una oportunidad de fusión sin saltos, y puedes hacer plug and play según lo que necesites.
G: ¿Qué sinergias específicas tienen? ¿Qué preguntas exploran en el uso de qubits versus qudits, y viceversa?
CM: En nuestro ejemplo tenemos una teoría de recalibración, una interacción de partículas fundamentales con dos ingredientes fundamentales. La materia, en nuestro caso electrones y positrones. Resulta que es una descripción muy natural en términos de qubits en el caso de un electrón y positrón, así que eso se lo dejamos a los qubits. Pero los campos de fuerza, lo que algunos llaman bosones de recalibración cuántica, tienen muchos niveles diferentes. Si intentas describir esos campos de fuerza con sistemas de dos niveles, todo se vuelve muy ineficiente. Sería mucho más eficiente si se usan qudits para eso. Tu infraestructura es la misma pero decides qué es lo que quieres usar.
G: ¿Qué viene ahora para tu equipo y para los qudits en general? ¿Qué significa para la física cuántica más en general?
CM: Por primera vez simulamos interacciones de partículas fundamentales con la materia y los campos de fuerza más allá de una dimensión. Ahora queremos ir a tres dimensiones. También queremos ir hacia teorías más complicadas. Hablamos de electrones y positrones y cómo interactúan. Lo próximo es que queremos incluir quarks y gluones. Hace unas semanas nos metimos en sensores cuánticos con qudits y tenemos que investigar mejor cómo mejorar la corrección de errores. Si tienes esta eficiencia en qudits y también tienes la corrección de errores, eso sería lo mejor.
