Tal dispositivo podría ayudar a abordar el cambio climático y la escasez de alimentos, o romper Internet. ¿Estados Unidos o China llegarán primero?
En las afueras de Santa Bárbara, California, entre los huertos y el océano, se encuentra un almacén discreto, con las ventanas teñidas de marrón y el exterior pintado de un gris opaco. La instalación casi no tiene señalización y su nombre no aparece en Google Maps. Una pequeña etiqueta en la puerta dice “Google AI Quantum”. En el interior, la computadora se está reinventando desde cero.
En septiembre, Hartmut Neven, el fundador del laboratorio, me hizo un recorrido. Neven, originario de Alemania, es un hombre calvo de cincuenta y siete años que pertenece al elenco moderno de ejecutivos-místicos híbridos. Habló de nuestro futuro cuántico con una mezcla de precisión científica y alegría psicodélica. Llevaba una chaqueta de cuero, una camisa de lino holgada adornada con botones, un par de jeans con bolsillos con cremallera en las piernas y zapatillas de velcro que parecían botas de luna. “Como sabe mi equipo, nunca me pierdo un solo Burning Man”, me dijo.
En medio del piso del almacén, un aparato del tamaño y la forma de un candelabro de salón de baile colgaba de un andamio de metal. Manojos de cable serpenteaban desde la parte superior a través de una serie de discos chapados en oro hasta un procesador debajo. El procesador, llamado Sycamore, es un mosaico pequeño y rectangular, tachonado con varias docenas de puertos. Sycamore aprovecha algunas de las propiedades más extrañas de la física para realizar operaciones matemáticas que contravienen toda intuición humana. Una vez que está conectado, toda la unidad se coloca dentro de un congelador cilíndrico y se enfría durante más de un día. El procesador se basa en la superconductividad, lo que significa que, a temperaturas ultrafrías, su resistencia a la electricidad casi desaparece. Cuando la temperatura que rodea al procesador es más fría que el vacío más profundo del espacio exterior, los cálculos pueden comenzar.
Las computadoras clásicas hablan en el lenguaje de los bits, que toman valores de cero y uno. Las computadoras cuánticas, como las que está construyendo Google, usan qubits, que pueden tomar un valor de cero o uno, y también una combinación compleja de cero y uno al mismo tiempo. Por lo tanto, los qubits son exponencialmente más poderosos que los bits, capaces de realizar cálculos que los bits normales no pueden. Pero, debido a este cambio elemental, todo debe ser rediseñado: el hardware, el software, los lenguajes de programación e incluso el enfoque de los problemas de los programadores.
El día que lo visité, un técnico, a quien Google llama “mecánico cuántico”, estaba trabajando en la computadora con una serie de pequeñas herramientas mecánicas. Cada qubit está controlado por un cable dedicado, que el técnico, sentado en un taburete, unió a mano.
La computadora cuántica que tenemos ante nosotros fue la culminación de años de investigación y cientos de millones de dólares en inversión. También apenas funcionaba. Las computadoras cuánticas de hoy en día son “ruidosas”, lo que significa que fallan en casi todo lo que intentan. Sin embargo, la carrera por construirlos ha atraído una concentración de genios tan densa como cualquier problema científico del planeta. Intel, IBM, Microsoft y Amazon también están construyendo computadoras cuánticas. Así es el gobierno chino. El ganador de la carrera producirá el sucesor del microchip de silicio, el dispositivo que permitió la revolución de la información.
Una computadora cuántica a gran escala podría descifrar nuestros protocolos de encriptación actuales, esencialmente rompiendo Internet. La mayoría de las comunicaciones en línea, incluidas las transacciones financieras y las populares plataformas de mensajes de texto, están protegidas por claves criptográficas que una computadora convencional tardaría millones de años en descifrar. Una computadora cuántica en funcionamiento presumiblemente podría descifrar uno en menos de un día. Eso es solo el comienzo. Una computadora cuántica podría abrir nuevas fronteras en matemáticas, revolucionando nuestra idea de lo que significa “computar”. Su poder de procesamiento podría estimular el desarrollo de nuevos productos químicos industriales, abordando los problemas del cambio climático y la escasez de alimentos. Y podría reconciliar las elegantes teorías de Albert Einstein con el rebelde microverso de la física de partículas, permitiendo descubrimientos sobre el espacio y el tiempo. “El impacto de la computación cuántica va a ser más profundo que cualquier tecnología hasta la fecha”, dijo recientemente Jeremy O’Brien, director ejecutivo de la startup PsiQuantum. Primero, sin embargo, los ingenieros tienen que hacer que funcione.
Imagina dos guijarros arrojados a un lago plácido. Cuando las piedras golpean la superficie, crean ondas concéntricas que chocan para producir complicados patrones de interferencia. A principios del siglo XX, los físicos que estudiaban el comportamiento de los electrones encontraron patrones similares de interferencia ondulatoria en el mundo subatómico. Este descubrimiento condujo a un momento de crisis, ya que, en otras condiciones, esos mismos electrones se comportaban más como puntos individuales en el espacio, llamados partículas. Pronto, en lo que muchos consideran el resultado científico más extraño de todos los tiempos, los físicos se dieron cuenta de que si un electrón se comportaba más como una partícula o más como una onda dependía de si alguien lo estaba observando o no. Nació el campo de la mecánica cuántica.
En las décadas siguientes, los inventores utilizaron los hallazgos de la mecánica cuántica para construir todo tipo de tecnología, incluidos láseres y transistores. A principios de los años ochenta, el físico Richard Feynman propuso construir una “computadora cuántica” para obtener resultados que no podían calcularse por medios convencionales. La reacción de la comunidad informática fue silenciada; los primeros investigadores tuvieron problemas para conseguir espacios en las conferencias. La utilidad práctica de un dispositivo de este tipo no se demostró hasta 1994, cuando el matemático Peter Shor, que trabajaba en Bell Labs en Nueva Jersey, demostró que una computadora cuántica podría ayudar a descifrar algunos de los estándares de cifrado más utilizados. Incluso antes de que Shor publicara sus resultados, un representante preocupado de la Agencia de Seguridad Nacional se le acercó.
Shor es ahora el presidente del comité de matemáticas aplicadas del Instituto Tecnológico de Massachusetts. Lo visité allí en agosto. Su estrecha oficina estaba dominada por una gran pizarra que se extendía por una pared, y su escritorio y su mesa estaban repletos de papel borrador. Había cajas de cartón en la esquina, llenas hasta el tope con el trabajo manual garabateado de Shor. Una de las cajas era de la librería Borders, que cerró hace once años.
Shor usa anteojos ovalados, su vientre es redondo, su cabello es lanudo y blanco y su barba está descuidada. El día que lo conocí, estaba dibujando hexágonos en la pizarra y uno de sus zapatos estaba desatado. “Se ve exactamente como el hombre que inventaría algoritmos”, dice un comentario en un video de una de sus conferencias.
Un algoritmo es un conjunto de instrucciones para el cálculo. Un niño que hace divisiones largas sigue un algoritmo; también lo es una supercomputadora que simula la evolución del cosmos. El estudio formal de los algoritmos como objetos matemáticos solo comenzó en el siglo XX, y la investigación de Shor sugiere que hay mucho que no entendemos. “Probablemente estemos, cuando se trata de algoritmos, al nivel que los romanos estaban frente a los números”, me dijo el físico experimental Michel Devoret. Comparó el trabajo de Shor con los avances realizados con números imaginarios en el siglo XVIII.
Shor puede ser obsesivo con los algoritmos. “Pienso en ellos a altas horas de la noche, en la ducha, en todas partes”, dijo. “Intercalado con eso, garabateo símbolos divertidos en una hoja de papel”. A veces, cuando un problema es especialmente apasionante, Shor no se dará cuenta de que otras personas le están hablando. “Probablemente sea muy molesto para ellos”, dijo. Excepto por mi esposa. Ella está acostumbrada. Neven, de Google, recordó haber paseado con Shor por Cambridge mientras exponía su última investigación. “Caminó a través de cuatro carriles de tráfico”, dijo Neven. (Shor me dijo que a sus dos hijas les habían diagnosticado autismo. “Por supuesto, yo mismo tengo algunos de esos rasgos”, dijo).
El algoritmo más famoso de Shor propone el uso de qubits para “factorizar” números muy grandes en componentes más pequeños. Le pedí que me explicara cómo funciona y borró los hexágonos de la pizarra. La clave de la factorización, dijo Shor, es identificar los números primos, que son números enteros divisibles solo por uno y por sí mismos. (Cinco es primo. Seis, que es divisible por dos y por tres, no lo es). Hay veinticinco números primos entre uno y cien, pero a medida que se cuenta más, se vuelven cada vez más escasos. Shor, dibujando una serie de fórmulas compactas en la pizarra, explicó que ciertas secuencias de números se repiten periódicamente a lo largo de la recta numérica. Sin embargo, las distancias entre estas repeticiones crecen exponencialmente, lo que las hace difíciles de calcular con una computadora convencional.
Shor luego se volvió hacia mí. “OK, aquí está el corazón de mi descubrimiento”, dijo. “¿Sabes lo que es una rejilla de difracción?” Le confesé que no, y los ojos de Shor se agrandaron con preocupación. Comenzó a dibujar un boceto simple de un haz de luz que choca contra un filtro y luego se difracta en los colores del arcoíris, que ilustró con tizas de colores. “Cada color de luz tiene una longitud de onda”, dijo Shor. “Estamos haciendo algo similar. Esta cosa es realmente una rejilla de difracción computacional, por lo que estamos clasificando los diferentes períodos”. Cada color en la pizarra representaba una agrupación diferente de números. Una computadora clásica, al observar estos grupos, tendría que analizarlos uno por uno. Una computadora cuántica podría procesar todo el arco iris a la vez.
El desafío es realizar el trabajo teórico de Shor con hardware físico. En 2001, los físicos experimentales de IBM intentaron implementar el algoritmo disparando pulsos electromagnéticos a moléculas suspendidas en líquido. “Creo que esa máquina costó alrededor de medio millón de dólares”, dijo Shor, “y nos informó que quince es igual a cinco por tres”. Los bits de la informática clásica son relativamente fáciles de construir: piense en un interruptor de luz, que se puede “encender” o “apagar”. Los qubits de la computación cuántica requieren algo así como un dial o, más exactamente, varios diales, cada uno de los cuales debe ajustarse a una amplitud específica. Implementar controles tan precisos a escala subatómica sigue siendo un problema diabólico.
Aún así, anticipándose al día en que los expertos en seguridad llamen Y2Q, los protocolos que protegen los mensajes de texto, el correo electrónico, los registros médicos y las transacciones financieras deben eliminarse y reemplazarse. A principios de este año, la Administración Biden anunció que se estaba moviendo hacia nuevos estándares de cifrado a prueba de cuánticos que ofrecen protección contra el algoritmo de Shor. Se espera que su implementación demore más de una década y cueste decenas de miles de millones de dólares, lo que creará una bonanza para los expertos en seguridad cibernética. “La diferencia entre esto y Y2K es que sabíamos la fecha real en que ocurriría Y2K”, me dijo el criptógrafo Bruce Schneier.
Anticipándose al Y2Q, las agencias de espionaje almacenan el tráfico de Internet encriptado, con la esperanza de leerlo en un futuro cercano. “Estamos viendo a nuestros adversarios hacer esto: copiar nuestros datos cifrados y simplemente conservarlos”, dijo Dustin Moody, el matemático a cargo de los estándares de cifrado poscuánticos de EE. UU. “Definitivamente es una amenaza real”. (Cuando le pregunté si el gobierno de los EE. UU. estaba haciendo lo mismo, Moody dijo que no sabía). Dentro de una o dos décadas, la mayoría de las comunicaciones de esta era probablemente serán expuestas. La fecha límite de la Administración Biden para la actualización de la criptografía es 2035. Una computadora cuántica capaz de ejecutar una versión simple del algoritmo de Shor podría aparecer tan pronto como 2029.
En la raíz de la investigación de la computación cuántica se encuentra un concepto científico conocido como “entrelazamiento cuántico”. El entrelazamiento es para computar lo que la fisión nuclear fue para los explosivos: una extraña propiedad del mundo subatómico que podría aprovecharse para crear tecnología de un poder sin precedentes. Si el enredo pudiera representarse a la escala de los objetos cotidianos, parecería un truco de magia. Imagina que tú y un amigo lanzan dos cuartos enredados, sin mirar los resultados. El resultado de los lanzamientos de monedas se determinará solo cuando eches un vistazo a las monedas. Si inspecciona su moneda y ve que salió cara, la moneda de su amigo automáticamente saldrá cruz. Si su amigo mira y ve que su moneda muestra cara, su moneda ahora mostrará cruz. Esta propiedad se mantiene independientemente de la distancia entre usted y su amigo.
Si encuentra confuso el entrelazamiento, no está solo: a la comunidad científica le tomó la mayor parte de un siglo comenzar a comprender sus efectos. Como tantos conceptos de la física, el entrelazamiento se describió por primera vez en uno de los Gedankenexperiments de Einstein. La mecánica cuántica dictaba que las propiedades de las partículas asumían valores fijos sólo una vez que se medían. Antes de eso, una partícula existía en una “superposición” de muchos estados a la vez, que se describían usando probabilidades. (Un famoso experimento mental, propuesto por el físico Erwin Schrödinger, imaginaba un gato atrapado en una caja con un vial de veneno activado cuánticamente, el gato superpuesto en un estado entre la vida y la muerte). Esto perturbó a Einstein, quien pasó sus últimos años formulando objeciones a la “nueva física” de la generación que le había sucedido. En 1935, trabajando con los físicos Boris Podolsky y Nathan Rosen, reveló una aparente paradoja en la mecánica cuántica: si uno tomaba en serio las implicaciones de la disciplina, debería ser posible crear dos partículas entrelazadas, separadas por cualquier distancia, que de alguna manera podrían interactuar más rápido que la velocidad de la luz. “No se puede esperar que una definición razonable de la realidad permita esto”, escribieron Einstein y sus colegas. En décadas posteriores, sin embargo, las otras predicciones de la mecánica cuántica se verificaron repetidamente en experimentos y se ignoró la paradoja de Einstein. “Debido a que sus puntos de vista iban en contra de la sabiduría prevaleciente en su época, la mayoría de los físicos tomaron la hostilidad de Einstein hacia la mecánica cuántica como un signo de senilidad”, escribió el historiador de la ciencia Thomas Ryckman. reveló una aparente paradoja en la mecánica cuántica: si uno tomaba en serio las implicaciones de la disciplina, debería ser posible crear dos partículas entrelazadas, separadas por cualquier distancia, que de alguna manera podrían interactuar más rápido que la velocidad de la luz. “No se puede esperar que una definición razonable de la realidad permita esto”, escribieron Einstein y sus colegas. En décadas posteriores, sin embargo, las otras predicciones de la mecánica cuántica se verificaron repetidamente en experimentos y se ignoró la paradoja de Einstein. “Debido a que sus puntos de vista iban en contra de la sabiduría prevaleciente en su época, la mayoría de los físicos tomaron la hostilidad de Einstein hacia la mecánica cuántica como un signo de senilidad”, escribió el historiador de la ciencia Thomas Ryckman. reveló una aparente paradoja en la mecánica cuántica: si uno tomaba en serio las implicaciones de la disciplina, debería ser posible crear dos partículas entrelazadas, separadas por cualquier distancia, que de alguna manera podrían interactuar más rápido que la velocidad de la luz. “No se puede esperar que una definición razonable de la realidad permita esto”, escribieron Einstein y sus colegas. En décadas posteriores, sin embargo, las otras predicciones de la mecánica cuántica se verificaron repetidamente en experimentos y se ignoró la paradoja de Einstein. “Debido a que sus puntos de vista iban en contra de la sabiduría prevaleciente en su época, la mayoría de los físicos tomaron la hostilidad de Einstein hacia la mecánica cuántica como un signo de senilidad”, escribió el historiador de la ciencia Thomas Ryckman. separados por cualquier distancia, que de alguna manera podrían interactuar más rápido que la velocidad de la luz. “No se puede esperar que una definición razonable de la realidad permita esto”, escribieron Einstein y sus colegas. En décadas posteriores, sin embargo, las otras predicciones de la mecánica cuántica se verificaron repetidamente en experimentos y se ignoró la paradoja de Einstein. “Debido a que sus puntos de vista iban en contra de la sabiduría prevaleciente en su época, la mayoría de los físicos tomaron la hostilidad de Einstein hacia la mecánica cuántica como un signo de senilidad”, escribió el historiador de la ciencia Thomas Ryckman. separados por cualquier distancia, que de alguna manera podrían interactuar más rápido que la velocidad de la luz. “No se puede esperar que una definición razonable de la realidad permita esto”, escribieron Einstein y sus colegas. En décadas posteriores, sin embargo, las otras predicciones de la mecánica cuántica se verificaron repetidamente en experimentos y se ignoró la paradoja de Einstein. “Debido a que sus puntos de vista iban en contra de la sabiduría prevaleciente en su época, la mayoría de los físicos tomaron la hostilidad de Einstein hacia la mecánica cuántica como un signo de senilidad”, escribió el historiador de la ciencia Thomas Ryckman. y la paradoja de Einstein fue ignorada. “Debido a que sus puntos de vista iban en contra de la sabiduría prevaleciente en su época, la mayoría de los físicos tomaron la hostilidad de Einstein hacia la mecánica cuántica como un signo de senilidad”, escribió el historiador de la ciencia Thomas Ryckman. y la paradoja de Einstein fue ignorada. “Debido a que sus puntos de vista iban en contra de la sabiduría prevaleciente en su época, la mayoría de los físicos tomaron la hostilidad de Einstein hacia la mecánica cuántica como un signo de senilidad”, escribió el historiador de la ciencia Thomas Ryckman.
Los físicos de mediados de siglo se centraron en los aceleradores de partículas y las ojivas nucleares; el enredo recibió poca atención. A principios de los años sesenta, el físico norirlandés John Stewart Bell, trabajando solo, reformuló el experimento mental de Einstein en un argumento matemático de cinco páginas. Publicó sus resultados en la oscura revista Physics Physique Fizika en 1964. Durante los siguientes cuatro años, su artículo no fue citado ni una sola vez.
En 1967, John Clauser, un estudiante graduado de la Universidad de Columbia, se encontró con el artículo de Bell mientras hojeaba un volumen encuadernado de la revista en la biblioteca. Clauser había tenido problemas con la mecánica cuántica, tomó el curso tres veces antes de recibir una calificación aceptable. “Estaba convencido de que la mecánica cuántica tenía que estar equivocada”, dijo más tarde. El artículo de Bell proporcionó a Clauser una forma de poner a prueba sus objeciones. En contra del consejo de sus profesores, incluido Richard Feynman, decidió realizar un experimento que reivindicaría a Einstein, demostrando que la teoría de la mecánica cuántica estaba incompleta. En 1969, Clauser escribió una carta a Bell informándole de sus intenciones. Bell respondió con deleite; nadie le había escrito antes sobre su teorema.
Clauser se mudó al Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, en California, donde, trabajando casi sin presupuesto, creó el primer par de fotones entrelazados deliberadamente del mundo. Cuando los fotones estuvieron a unos diez pies de distancia, los midió. Observar un atributo de un fotón produjo instantáneamente resultados opuestos en el otro. Clauser y Stuart Freedman, su coautor, publicaron sus hallazgos en 1972. Desde la perspectiva de Clauser, el experimento fue una decepción: definitivamente había demostrado que Einstein estaba equivocado. Finalmente, y con gran desgana, Clauser aceptó que las desconcertantes reglas de la mecánica cuántica eran, de hecho, válidas, y que lo que Einstein consideraba una grotesca afrenta a la intuición humana era simplemente la forma en que funciona el universo. “Confieso hasta el día de hoy que todavía no entiendo la mecánica cuántica”, dijo Clauser, en 2002.
Pero Clauser también había demostrado que las partículas entrelazadas eran más que un simple experimento mental. Eran reales, e incluso más extraños de lo que había pensado Einstein. Su rareza atrajo la atención del físico Nick Herbert, un doctorado de Stanford. y entusiasta del LSD cuyos intereses de investigación incluían la telepatía mental y la comunicación con el más allá. Clauser le mostró a Herbert su experimento, y Herbert propuso una máquina que usaría el entrelazamiento para comunicarse más rápido que la velocidad de la luz, lo que permitiría al usuario enviar mensajes hacia atrás en el tiempo. El modelo de Herbert para una máquina del tiempo finalmente se consideró inviable, pero obligó a los físicos a comenzar a tomar en serio el entrelazamiento. “El artículo erróneo de Herbert fue una chispa que generó un progreso inmenso”, recordó el físico Asher Peres, en 2003.
Tomado de newyorker.com
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