Jian-Wei Pan, el longevo avezado en computación de China: “El próximo longevo avance cuántico llegará en cinco primaveras” | Ciencia

Cualquier avance en la computación cuántica multiplica el potencial de una tecnología capaz de realizar cálculos y simulaciones imposibles con los ordenadores actuales y de facilitar el estudio de fenómenos hasta ahora sólo teóricos. El año pasado, un grupo de investigadores, con participación española, creció Naturaleza que una alternativa a la teoría cuántica basada en números reales puede falsificarse experimentalmente. La propuesta original dejaba un desafío abierto. Una encuesta realizada por el científico chino más importante en este campo, Jian-Wei Pan, y con la participación del físico de la Universidad de Sevilla Adán Cabello demostró “el papel indispensable de los números complejos [raíz cuadrada de menos uno, por ejemplo] en la mecánica cuántica estándar. Los hallazgos permiten avanzar en el desarrollo de computadoras con esta tecnología y, según Cabello, “verificar la física cuántica en regiones que antes eran inaccesibles”.

Jian-Wei Pan, de 51 años, graduado de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) en 1987 y doctorado de la Universidad de Viena, lidera uno de los grupos de investigación cuántica más grandes y exitosos del mundo. El premio Nobel de física Frank Wilczek lo llamó «una fuerza de la naturaleza». De él, el director de su tesis en la Universidad de Viena, el físico Anton Zeilinger, dijo: “No puedo imaginar cómo sería la tecnología cuántica sin Jian-Wei Pan”.

Su guía en el descubrimiento fue fundamental. Así es como lo resume: «El experimento puede verse como un juego entre dos participantes: mecánica cuántica de valor real versus mecánica cuántica de valor complejo. El juego se lleva a cabo en una plataforma de computadora cuántica con cuatro circuitos superconductores. Mediante el envío de bases de medición aleatorias y al medir el resultado, obtienes el puntaje del juego, que es una combinación matemática de los conceptos básicos de medición y el resultado. La regla del juego es que la mecánica cuántica del valor real se descarta si el puntaje del juego excede 7.66, ya que en nuestro trabajo».

El experimento, recopilado por Cartas de revisión física, fue desarrollado por un equipo de la USTC y la Universidad de Sevilla para dar respuesta a una pregunta fundamental: ¿son realmente necesarios los números complejos para la descripción mecánica cuántica de la naturaleza? Los resultados descartan una alternativa a la física cuántica estándar que utiliza solo números reales.

Jian-Wei Pan explica: “Los físicos usan las matemáticas para describir la naturaleza. En la física clásica, el número real parece completo para describir la realidad física en todos los fenómenos clásicos, mientras que el número complejo solo se usa a veces como una herramienta matemática conveniente. Sin embargo, sigue siendo una pregunta abierta si el número complejo es necesario para representar la teoría de la mecánica cuántica. Nuestros resultados refutan la descripción numérica real de la naturaleza y establecen el papel indispensable del número complejo en la mecánica cuántica».

“Más allá del interés por descartar una alternativa concreta”, añade Cabello, “la importancia del experimento es que muestra cómo funciona un sistema de qubits superconductores [los que se usan en los ordenadores cuánticos] Nos permite verificar predicciones de la física cuántica que son imposibles de verificar en los experimentos que hemos realizado hasta ahora. Esto abre un abanico de posibilidades muy interesante, porque hay decenas de predicciones interesantes que nunca hemos podido comprobar, ya que requieren un muy buen control sobre diferentes qubits. Ahora podemos ponerlos a prueba”.

Chao-Yang Lu, de la USTC y también coautor del experimento, agrega: «La aplicación a corto plazo más prometedora de las computadoras cuánticas es la verificación de la mecánica cuántica en sí misma y el estudio de sistemas de muchos cuerpos».

El próximo avance en computación cuántica será tener un qubit lógico con mayor fidelidad que el físico y sucederá en unos cinco años. En los hogares, las computadoras cuánticas, si se construyen, estarán disponibles primero a través de servicios en la nube

Jian-Wei Pan, físico de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China

De esta forma, el descubrimiento proporciona no solo un camino a seguir en el desarrollo de computadoras cuánticas, sino también una nueva forma de acercarse a la naturaleza para comprender el comportamiento y las interacciones de las partículas a nivel atómico y subatómico.

Y como todo progreso, la apertura de nuevos caminos genera incertidumbre. Sin embargo, Jian-Wei Pan prefiere centrarse en los aspectos positivos: “Construir una computadora cuántica prácticamente útil y tolerante a fallas es uno de los grandes desafíos para los humanos. Estoy más preocupado por cómo y cuándo construiremos uno. El desafío más formidable en la construcción de una computadora cuántica universal a gran escala es la presencia de ruido e imperfecciones. Necesitamos usar corrección de errores cuánticos y operaciones tolerantes a fallas para superar el ruido y escalar el sistema. El próximo avance en computación cuántica será tener un qubit lógico con mayor fidelidad que el físico y sucederá en unos cinco años. En los hogares, las computadoras cuánticas, si se construyen, estarán disponibles primero a través de servicios en la nube.

Aplicaciones

En este sentido, Cabello afirma que “cuando los ordenadores cuánticos sean lo suficientemente grandes y tengan miles o millones de qubits, nos permitirán entender reacciones químicas complejas que ayuden a diseñar nuevos fármacos y mejores baterías o realizar simulaciones que conduzcan al desarrollo de nuevos materiales o cálculos que permitan optimizar los algoritmos de inteligencia artificial y aprendizaje automático utilizados en logística, ciberseguridad y finanzas, o que permitan descifrar los códigos en los que se basa la seguridad de las comunicaciones actuales”

“Los ordenadores cuánticos”, explica el científico de la Universidad de Sevilla, “utilizan las propiedades de la física cuántica para realizar cálculos. A diferencia de las computadoras que usamos, donde la unidad básica de información es el bit (que puede tomar dos valores), en una computadora cuántica la unidad básica es el bit cuántico, o qubit, que tiene un número infinito de estados.

Cabello añade que “los ordenadores cuánticos que han construido empresas como Google, IBM o Rigetti aprovechan que objetos del tamaño de una micra y producidos con técnicas estándar de fabricación de semiconductores pueden comportarse como qubits”.

El objetivo de los ordenadores con millones de qubits todavía está lejos, ya que la mayoría de los ordenadores cuánticos modernos, según el físico de la Universidad de Sevilla, «tienen solo unos pocos qubits y no todos son lo suficientemente buenos». Sin embargo, el descubrimiento del equipo chino y español les permite ampliar los usos de las computadoras existentes y comprender los fenómenos físicos que han dejado perplejos a los científicos durante años.

tiempo de cristal

En este sentido, Google Quantum AI ha lanzado en Naturaleza la observación, por primera vez, de un cristal de tiempo a través del procesador cuántico Sicomoro. Un cristal de tiempo es similar a un grano de sal formado por átomos de sodio y cloro. Sin embargo, mientras las capas de átomos de esa sal forman una estructura física basada en patrones repetitivos en el espacio, en el tiempo el cristal está configurado por un patrón oscilante. El procesador de Google pudo observar esos patrones de ondas oscilatorias de cristales de tiempo estables.

Este descubrimiento, como explican Pedram Roushan y Kostyantyn Kechedzhi, muestra «cómo se pueden utilizar los procesadores cuánticos para estudiar nuevos fenómenos físicos». Y añaden: “El paso de la teoría a la observación real es un salto crítico y es la base de todo descubrimiento científico. Investigaciones como esta abren la puerta a muchos otros experimentos, no solo en física, sino que con suerte inspirarán futuras aplicaciones cuánticas en muchos otros campos».

En España, un consorcio formado por siete empresas, cinco centros de investigación (BSC, CSIC, DIPC, ICFO y Tecnalia) y la Universidad Politécnica de Valencia (UPV) han puesto en marcha el proyecto CUCO para aplicar la computación cuántica en sectores estratégicos españoles: energía, finanzas , espacio, defensa y logística. El proyecto CUCO, financiado por el Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI) y con el apoyo del Ministerio de Ciencia e Innovación, es el primer gran proyecto de computación cuántica en España en el ámbito empresarial y tiene como objetivo «el progreso del conocimiento científico y tecnológico desarrollo de algoritmos de computación cuántica mediante la colaboración público-privada entre empresas, centros de investigación y universidades” para implementar estas tecnologías a medio plazo. Participan siete empresas (Amatech, BBVA, DAS Photonics, GMV, Multiverse Computing, Qilimanjaro Quantum Tech y Repsol), cinco centros de investigación (BSC, CSIC, DIPC, ICFO y Tecnalia) y la UPV.

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