Primero fue el comportamiento de los electrones en una molécula de hidrógeno, luego el dihidruro de berilio se unió al club. Ahora, las computadoras cuánticas se han utilizado para calcular algunas de las propiedades de un núcleo atómico: el núcleo de deuterio para ser precisos.
Lo que estamos presenciando son dos procesos concurrentes y útiles. El primero, que hemos cubierto ampliamente, es el desarrollo y la disponibilidad de las computadoras cuánticas. Pero, realmente no he discutido el segundo: el desarrollo de algoritmos.
Verá, los teóricos, los usuarios potenciales de las computadoras cuánticas, tienen un dilema. Las computadoras cuánticas son muy prometedoras. Es muy probable que una buena computadora cuántica pueda calcular las propiedades de cosas como moléculas y núcleos atómicos de manera mucho más eficiente que una computadora clásica. Desafortunadamente, la generación actual de computadoras cuánticas, especialmente aquellas a las que puede acceder el teórico promedio, son bastante limitadas. Esto supone un desafío para los teóricos: ¿pueden hacer que los cálculos consuman menos recursos para que puedan realizarse en el hardware actualmente disponible?
La mayoría de ustedes estará pensando, bueno, duh, por supuesto, esto sucede todo el tiempo. Pero sucede todo el tiempo con las computadoras clásicas. Lo que estamos viendo ahora es que este proceso también se está extendiendo a los algoritmos de computación cuántica.
¿Propiedades del núcleo?
El núcleo es un lugar aterrador para personas como yo, que prefieren el mundo más suave de átomos y moléculas enteras. Un núcleo está formado por protones y neutrones que están unidos por la fuerza fuerte. El rango de la fuerza fuerte es tan corto que los protones y los neutrones tienen que estar básicamente dentro de unos pocos femtómetros (10–15m) entre sí antes de que se unan. A pesar de esto, sin embargo, el núcleo tiene estructura.
Imagina un núcleo de deuterio: solo tiene un protón y un neutrón. Sin embargo, los dos no están pegados el uno al otro como restos viejos en la parte posterior de su refrigerador. Se parece más a que se unen a través de una banda de goma y vibran entre sí. Dado un poco de energía (a través de rayos X o rayos gamma), las vibraciones se harán más rápidas. El enlace que mantiene unidos al protón y al neutrón también puede romperse, como una banda de goma sobrecargada, haciendo que el núcleo se separe. Un rayo gamma suficientemente energético puede hacer que esto suceda.
Lo que nos interesa saber es cuánta energía se necesita para pasar de un estado vibratorio a otro. Queremos saber la energía a la que se derrumbará el núcleo. También nos gustaría conocer la energía mínima del núcleo.
Comprimiendo el cálculo
El problema con el cálculo de estas propiedades es que requiere muchos recursos. El paisaje energético, la banda elástica que mantiene unidos al neutrón y al protón, es una suma de, posiblemente, un número infinito de términos. El número de estados que podemos examinar para los dos nucleones está limitado solo por la longitud de la suma utilizada para calcular el paisaje energético.
El resultado es que incluso un pequeño cálculo requiere muchos qubits.
Sin embargo, hay una segunda consideración cuando se trata de cálculos cuánticos: ¿cuántas y qué tipo de operaciones necesita realizar para completar el cálculo? No se trata solo de tener un número limitado de qubits; con el tiempo, perderán su capacidad de mantener información cuántica, y la cantidad de tiempo que esto toma depende del hardware que se esté utilizando. Todos los algoritmos tienen que funcionar dentro de esta limitación, que a menudo se considera en términos de lo que se denomina profundidad computacional (o volumen).
Para reducir el número de operaciones, los investigadores observaron que muchas operaciones de dos qubit podrían ser reemplazadas por operaciones de un solo qubit. Para entender cómo, es útil pensar en un qubit como una flecha que apunta a una ubicación en una esfera; no sabemos la dirección hacia la que apunta la flecha, solo que tiene un valor probable.
Una operación de un solo qubit gira la flecha en una cantidad fija. Todavía no sabemos a dónde apunta la flecha, pero sí sabemos cuánto ha cambiado. Una operación de dos qubits voltea la flecha del qubit objetivo, dependiendo de la dirección de la flecha del qubit de control. (Aquí, no tenemos idea de a dónde apunta ninguna de las flechas).
Sin embargo, los Qubits no son perfectos. Esto significa esencialmente que la flecha no tiene una dirección precisa; Hay un margen de error en su dirección. Para una operación de un solo qubit, esto no es tan malo. Las operaciones que realizamos para rotarlo son razonablemente precisas, por lo que el error no crece demasiado rápido. Pero, para operaciones de dos qubit, el error crece más rápidamente porque el error en el qubit de control se copia al qubit de destino. Por lo tanto, reducir la cantidad de qubits involucrados en cada operación permite que una computadora cuántica realice cálculos más largos.
Optimizado
Y eso es lo que hicieron los investigadores. Redujeron el cálculo de los niveles de energía del nucleón a operaciones en su mayoría de un solo qubit, con solo unos pocos de dos qubits. A partir de esto, pudieron calcular la energía del estado fundamental y estimar la energía de enlace (la energía requerida para dividirse El núcleo) para un núcleo de deuterio.
Al igual que con todos los cálculos cuánticos, los resultados son de naturaleza estadística, por lo que los investigadores tienen que realizar el cálculo muchas veces y obtener el resultado promedio. En este caso, los investigadores hicieron uso de dos computadoras cuánticas, la IBM QX5 y la Rigetti 19Q, a través de sus API de computación en la nube disponibles públicamente. Esto limitó el número de cálculos que podrían realizar. A pesar de esto, obtuvieron resultados dentro de un pequeño porcentaje de los valores experimentales.
El cálculo en sí no es nada especial. Este núcleo en particular ha sido durante mucho tiempo solucionable con computadoras clásicas. El punto era comenzar a desarrollar formas de ajustar los cálculos en computadoras cuánticas pequeñas. Y esto es importante, porque aunque muchas empresas y laboratorios de investigación están desarrollando computadoras cuánticas con más qubits, no están aumentando la cantidad de operaciones que podemos hacer antes de que se acumule un gran error en el qubit. Eso significa que todos esos nuevos qubits deben usarse para corregir errores en lugar de realizar cálculos.
Esto no significa que las computadoras cuánticas se limitarán a un número bajo de qubits o un número bajo de operaciones lógicas por tiempo indefinido. En su lugar, debe pensar que esto acepta que el progreso puede ser lento, y estamos descubriendo cómo usar lo que ya tenemos lo antes posible.