Toby Cubitt: por qué los algoritmos acelerarán las aplicaciones de las computadoras cuánticas – Física Mundial

Las computadoras cuánticas son muy prometedoras porque podrían, al menos en principio, resolver ciertos problemas que ni siquiera las supercomputadoras convencionales más poderosas pueden resolver. Pero construir bits cuánticos, o qubits, y vincularlos para crear computadoras cuánticas prácticas, es un enorme desafío. En particular, las computadoras cuánticas son increíblemente ruidosas, lo que rápidamente introduce errores en los cálculos cuánticos.

Es por eso que muchos investigadores están desarrollando algoritmos cuánticos inteligentes que pueden realizar cálculos útiles incluso en las pequeñas y ruidosas computadoras cuánticas actuales. Una empresa que contribuye a ese esfuerzo es Arte de fase, que se escindió del University College London y la Universidad de Bristol en 2019. El físico Toby Cubito, cofundador y director de tecnología de Phasecraft, habla con Hamish Johnston sobre cómo las aplicaciones del mundo real podrían estar a la vuelta de la esquina.

¿Por qué creaste originalmente Phasecraft?

Fundamos Phasecraft porque la computación cuántica estaba llegando a un punto en el que el hardware de computación cuántica ya no era solo un sistema de juguete, sino que traspasaba los límites de lo que se podía hacer en las computadoras convencionales. Queríamos intentar desarrollar los algoritmos necesarios para utilizar ese hardware en etapa inicial y hacer realidad las aplicaciones cuánticas. Es un gran desafío científico, pero fascinante en el que participar.

¿Qué tamaño tiene la empresa en este momento?

Actualmente tenemos alrededor de 20 empleados a tiempo completo, de los cuales aproximadamente un tercio tiene experiencia en computación cuántica o teoría de la información cuántica, un tercio en ciencia de materiales, materia condensada y química, y un tercio en informática. Todos tienen conocimientos de computación cuántica, pero también son muy, muy buenos (y les encanta) programar estas cosas, implementarlas y hacerlas funcionar en el hardware.

Patrocinamos a estudiantes de doctorado que están en lugares como el University College London y la Universidad de Bristol pero que trabajan directamente aquí en las oficinas de la empresa. También tenemos muchos pasantes, tanto estudiantes universitarios como estudiantes de doctorado. Estamos muy centrados en la investigación y el desarrollo en este momento. Pero a medida que aparezcan aplicaciones útiles en línea, espero que las cosas se vuelvan de naturaleza mucho más comercial.

¿Diría que se ha ignorado el software cuántico en favor de toda la exageración y el entusiasmo por el desarrollo de nuevos qubits y tecnologías de procesador?

El hardware es extremadamente importante y merece la atención que se le ha prestado, ya que involucra física, ciencia de materiales e ingeniería fascinantes. Pero para nosotros, en el lado del software, se trata de generar ideas matemáticas inteligentes para hacer que los algoritmos sean más eficientes y funcionen en los dispositivos cuánticos de pequeña escala y en etapa inicial de la actualidad. De hecho, es más probable que avancemos mediante mejores algoritmos que esperando mejoras en el hardware.

Incluso si el hardware cuántico creciera exponencialmente, podría pasar una década antes de que se pudiera hacer algo útil con él. Trabajar en algoritmos tampoco requiere criostatos costosos, refrigeradores de dilución, helio líquido o chips; solo un grupo de personas realmente inteligentes que piensan profundamente, que es lo que tenemos en Phasecraft. Hace unos años, por ejemplo, desarrollamos algoritmos para simular la dinámica temporal de sistemas cuánticos que eran aproximadamente seis órdenes de magnitud mejores que los de Google y Microsoft.

Los procesadores cuánticos son ruidosos, lo que significa que rápidamente pierden coherencia e imposibilitan los cálculos. ¿Cómo se desarrollan algoritmos prácticos para ejecutar en dispositivos imperfectos?

El ruido y los errores son la pesadilla de todas las aplicaciones cuánticas en hardware real. Ha habido algunas mejoras increíbles en el hardware, pero no podemos dar por sentado que las computadoras cuánticas sean perfectas, como podemos hacerlo con los dispositivos clásicos. Entonces, con todo lo que hacemos en Phasecraft, tenemos que pensar en términos de computadoras cuánticas ruidosas e imperfectas que tienen errores. Ejecute cualquier cálculo y los errores se acumularán tan rápido que solo obtendrá ruido (datos aleatorios) y perderá toda la información cuántica.

Para solucionar este problema, es fundamental hacer que los algoritmos sean lo más eficientes posible y hacerlos menos sensibles o susceptibles al ruido. Es cierto que en los años 1990 Pedro Shor desarrolló el concepto de corrección de errores cuánticos y el teorema del umbral tolerante a fallas, que muestra, teóricamente, que incluso en computadoras cuánticas ruidosas, se pueden ejecutar cálculos cuánticos arbitrariamente largos. Pero eso requiere una cantidad tan grande de qubits que no podemos contar con esto como solución.

Por lo tanto, nuestro enfoque es más bien un problema de tipo ingeniería, en el que intentamos comprender cómo se ve el ruido en detalle. Cuanto mejor podamos comprender el ruido, más podremos diseñar en torno a él para que no afecte el resultado. Pero hay una gran recompensa porque si puedes hacer que un algoritmo sea menos complejo, puedes obtener algo útil de estas ruidosas computadoras cuánticas. Es una cuestión de diseñar los algoritmos para que podamos sacarles más provecho.

A menudo digo que las computadoras cuánticas de hoy están donde estaban las computadoras clásicas en la década de 1950. En aquel entonces, a la gente le gustaba Alan Turing Se nos ocurrieron ideas realmente inteligentes sobre cómo aprovechar un poco más el hardware primitivo y torpe y, de hecho, hacer cosas increíbles con él. Esa es la etapa en la que nos encontramos con la computación cuántica. De hecho, ciertos algoritmos a veces son más adecuados para un tipo de hardware que para otro.

En términos de hardware, ¿qué tipo de qubits estáis utilizando actualmente?

En Phasecraft estamos interesados ​​en todo tipo de hardware. Sin embargo, utilizamos predominantemente circuitos qubit superconductores, porque esa es la plataforma de hardware líder en la actualidad. Pero también estamos utilizando trampas de iones en hardware de átomos fríos y también estamos pensando en hardware fotónico. Pero no estamos atados a una plataforma en particular.

La atención de Phasecraft se centra en algoritmos que calculan las propiedades de los materiales. ¿Por qué esas aplicaciones son tan adecuadas para las primeras computadoras cuánticas actuales?

En la industria, muchas empresas dedican mucho tiempo y dinero a utilizar ordenadores clásicos de alto rendimiento para determinar las propiedades de los materiales. El problema es que requiere mucha computación, por lo que terminan intentando simplificar el problema. Pero el peligro entonces es que puedes hacer las cosas completamente mal. Por ejemplo, puedes terminar prediciendo que un material es un aislante cuando en realidad es un conductor. A veces puede haber ese nivel de error.

En Phasecraft, nos centramos en modelar y simular materiales porque esas aplicaciones están al alcance más cercano del hardware actual. Otras aplicaciones, como la optimización, son más exigentes en cuanto a la cantidad de qubits y puertas que necesita. A medida que el hardware mejore, las simulaciones de química cuántica estarán a nuestro alcance. Son más difíciles de simular que los materiales cristalinos periódicos porque la complejidad de un algoritmo en los sistemas moleculares aumenta como el número de orbitales de electrones a la potencia de cuatro.

¿Puede darnos una muestra de algunos materiales específicos que haya observado?

De momento, el hardware aún no es lo suficientemente grande como para poder hacer simulaciones de materiales reales más allá de lo que se puede hacer clásicamente. Así que todavía estamos en la etapa en la que tenemos los algoritmos, pero todavía no tenemos el hardware para ejecutarlos, aunque nos estamos acercando. Dicho esto, los tipos de materiales que son buenos objetivos para las aplicaciones iniciales de la computación cuántica están relacionados con la energía limpia: materiales para baterías, cosas como óxidos metálicos.

También resulta que son aquellos en los que los algoritmos clásicos no funcionan muy bien, porque implican fuertemente correlacionado electrones. Lo mismo ocurre con la energía fotovoltaica. De hecho, tenemos un colaboración con Oxford PV, que está trabajando con perovskita fotovoltaica, donde nuevamente estamos observando sistemas de electrones fuertemente correlacionados. Esto implica simular dinámicamente cosas como la velocidad a la que los pares de partículas y agujeros se recombinan para emitir luz.

También hemos examinado el vanadato de estroncio, que tiene una bonita estructura de bandas que significa que puede caber en una computadora cuántica más pequeña que otros materiales. No es el más pequeño, pero es un sistema de óxido metálico que es interesante y necesita menos qubits y menos puertas que otros óxidos metálicos.

¿Cuándo cree que Phasecraft alcanzará el punto de “ventaja cuántica” en el que sus algoritmos puedan ejecutarse en un procesador cuántico y puedan calcular cosas que una supercomputadora no puede?

Ésa es la pregunta del millón. De hecho, probablemente sea la pregunta de los mil millones de dólares. La industria cuántica necesita llegar a ese punto en el que no solo demuestre los problemas de los juguetes, sino que resuelva problemas del mundo real en computadoras cuánticas.

Espero no parecer el tipo que supuestamente dijo una vez Sólo se necesitarían tres computadoras en el mundo, pero realmente creo que podríamos llegar allí en los próximos dos o tres años. Esas primeras preguntas pueden ser de interés científico más que industrial; la industria podría estar un poco más allá de ese punto. No se tratará de apagar sus clústeres de computación de alto rendimiento (HPC) de la noche a la mañana y pasar directamente a una computadora cuántica. Es mucho más probable que sea un proceso gradual mediante el cual aparecerán en línea más y más cosas útiles. Así es como funciona la ciencia: progresas, encuentras un obstáculo y luego progresas más. Tiende a aumentar.

El progreso depende de mucho trabajo duro por parte de grandes equipos de científicos que trabajan diligentemente durante muchos años. Eso es lo que está sucediendo en la computación cuántica y es posible que las primeras aplicaciones no lleguen a los titulares

Cuando los medios de comunicación informan sobre las computadoras cuánticas, tienden a asumir que los avances masivos surgen de la nada y de la nada. Pero no es así. El progreso depende de mucho trabajo duro por parte de grandes equipos de científicos que trabajan diligentemente durante muchos años. Eso es lo que está sucediendo en la computación cuántica, y es posible que las primeras aplicaciones no lleguen a los titulares. Pero los científicos se darán cuenta cuando hayamos superado ese umbral en el que se pueden hacer cosas que son imposibles con las computadoras convencionales. No estamos muy lejos.

Phasecraft recibió recientemente 13 millones de libras esterlinas en financiación privada. ¿Qué planeas hacer con ese efectivo?

Para una empresa de algoritmos cuánticos como la nuestra, la gran mayoría de la financiación se destina a pagar los salarios de las personas. Nuestro personal es la clave: nuestro activo más valioso es nuestro equipo. Para una empresa de hardware es muy diferente, porque el hardware es caro. Pero necesitamos gente que piense y codifique para que el dinero nos permita ampliar constantemente nuestro equipo.

Siempre tenemos más ideas de las que disponemos de recursos para llevar a cabo y, a medida que nos acerquemos a la implementación de grandes cálculos en computadoras cuánticas, ampliaremos el equipo. Todavía faltan algunos años para que tengamos aplicaciones comercialmente relevantes, pero cuando eso suceda, pasaremos por un punto de inflexión y toda la industria cambiará. Siempre estamos interesados ​​en hablar con personas inteligentes que estén entusiasmadas con el uso de la mecánica cuántica para aplicaciones del mundo real.

Entonces, ¿cómo evolucionará la empresa?

Todo lo que se necesita es una idea asombrosa y sobresaliente que podría cambiar por completo toda la industria cuántica. Estamos interesados ​​en asegurarnos de darle a nuestro equipo de investigación el espacio para hacer ese tipo de pensamiento de cielo azul que podría cambiar el rumbo de la empresa. Claro, no todas las ideas funcionarán: 20 podrían fracasar, pero la 21 resultará ser una nueva dirección significativa en la que nadie más pensó. Eso ya ha sucedido un par de veces en Phasecraft. Alguien se inspira y luego se abre una nueva dirección.

Los algoritmos cuánticos hacen un uso inteligente del hardware ruidoso

Estamos en un momento enormemente emocionante en la computación cuántica. Soy Todavía soy profesor en la UCL., y todavía tengo un grupo académico allí, pero encuentro ambos lados –aplicado y teórico– igualmente interesantes desde el punto de vista intelectual. He teorizado sobre algunos temas durante 20 años pero no he tenido herramientas para ponerlos en práctica. Ahora, sin embargo, puedo tomar esa teoría y hacerla realidad. En lugar de simplemente escribir un artículo, puedo ejecutar mi idea en hardware.

Claro, puede que no funcione en absoluto. Podría resultar que el universo real diga: “No. Esa no es una buena idea." Pero aún así podría ser un problema increíblemente útil y fascinante de abordar. Por eso, el lado aplicado de la investigación (aplicar esta física a la tecnología) lo encuentro tan fascinante e interesante como el pensamiento académico de cielo azul.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/toby-cubitt-why-algorithms-will-speed-up-applications-of-quantum-computers/