Jian-Wei Pan, el mayor experto en computaci¨®n de China: ¡°El pr¨®ximo mayor avance cu¨¢ntico llegar¨¢ en cinco a?os¡±

Cualquier avance en computaci¨®n cu¨¢ntica multiplica el potencial de una tecnolog¨ªa capaz de ejecutar c¨¢lculos y simulaciones que son imposibles con los ordenadores actuales y facilitar el estudio de fen¨®menos que hasta ahora solo eran te¨®ricos. El a?o pasado, un grupo de investigadores, con participaci¨®n espa?ola, plante¨® en Nature que una alternativa a la teor¨ªa cu¨¢ntica basada en n¨²meros reales puede ser falsificada experimentalmente. La propuesta original dej¨® abierto un desaf¨ªo. Una investigaci¨®n liderada por el cient¨ª...

Cualquier avance en computaci¨®n cu¨¢ntica multiplica el potencial de una tecnolog¨ªa capaz de ejecutar c¨¢lculos y simulaciones que son imposibles con los ordenadores actuales y facilitar el estudio de fen¨®menos que hasta ahora solo eran te¨®ricos. El a?o pasado, un grupo de investigadores, con participaci¨®n espa?ola, plante¨® en Nature que una alternativa a la teor¨ªa cu¨¢ntica basada en n¨²meros reales puede ser falsificada experimentalmente. La propuesta original dej¨® abierto un desaf¨ªo. Una investigaci¨®n liderada por el cient¨ªfico chino m¨¢s relevante en este campo, Jian-Wei Pan, y con la participaci¨®n del f¨ªsico de la Universidad de Sevilla Ad¨¢n Cabello ha demostrado ¡°el papel indispensable de los n¨²meros complejos [ra¨ªz cuadrada de menos uno, por ejemplo] en la mec¨¢nica cu¨¢ntica est¨¢ndar¡±. Los resultados permiten avanzar en el desarrollo de computadoras que usan esta tecnolog¨ªa y, seg¨²n Cabello, ¡°comprobar la f¨ªsica cu¨¢ntica en regiones que era inaccesibles hasta ahora¡±.

Jian-Wei Pan, de 51 a?os, graduado en la Universidad de Ciencia y Tecnolog¨ªa de China (USTC) en 1987 y doctorado en la Universidad de Viena, dirige uno de los mayores y m¨¢s exitosos grupos de investigaci¨®n cu¨¢ntica del mundo. El Nobel de F¨ªsica Frank Wilczek lo ha descrito como ¡°una fuerza de la naturaleza¡±. Sobre ¨¦l, su director de tesis en la Universidad de Viena, el f¨ªsico Anton Zeilinger, ha manifestado: ¡°No puedo imaginar la aparici¨®n de la tecnolog¨ªa cu¨¢ntica sin Jian-Wei Pan¡±.

Su liderazgo en el hallazgo ha sido fundamental. As¨ª lo resume: ¡°El experimento puede verse como un juego entre dos participantes: mec¨¢nica cu¨¢ntica de valor real frente a mec¨¢nica cu¨¢ntica de valor complejo. El juego se desarrolla en una plataforma de una computadora cu¨¢ntica con cuatro circuitos superconductores. Al enviar bases de medici¨®n aleatorias y medir el resultado, se obtiene la puntuaci¨®n del juego, que es una combinaci¨®n matem¨¢tica de las bases de medici¨®n y el resultado. La regla del juego es que la mec¨¢nica cu¨¢ntica de valor real se descarta si la puntuaci¨®n del juego supera los 7,66, que es el caso de nuestro trabajo¡±.

El experimento, recogido por Physical Review Letters, ha sido desarrollado por un equipo de la USTC y de la Universidad de Sevilla para responder a una pregunta fundamental: ?Son realmente necesarios los n¨²meros complejos para la descripci¨®n mec¨¢nica cu¨¢ntica de la naturaleza? Los resultados excluyen una alternativa de la f¨ªsica cu¨¢ntica est¨¢ndar que usa solo n¨²meros reales.

Jian-Wei Pan explica: ¡°Los f¨ªsicos utilizan las matem¨¢ticas para describir la naturaleza. En la f¨ªsica cl¨¢sica, el n¨²mero real parece completo para describir la realidad f¨ªsica en todos los fen¨®menos cl¨¢sicos, mientras que el n¨²mero complejo solo se emplea a veces como una herramienta matem¨¢tica conveniente. Sin embargo, si el n¨²mero complejo es necesario para representar la teor¨ªa de la mec¨¢nica cu¨¢ntica sigue siendo una pregunta abierta. Nuestros resultados refutan la descripci¨®n num¨¦rica real de la naturaleza y establecen el papel indispensable del n¨²mero complejo en la mec¨¢nica cu¨¢ntica¡±.

¡°M¨¢s all¨¢ del inter¨¦s que tiene excluir una alternativa concreta¡±, a?ade Cabello, ¡°la importancia del experimento es que muestra c¨®mo un sistema de qubits superconductores [los que se usan en los ordenadores cu¨¢nticos] permite comprobar predicciones de la f¨ªsica cu¨¢ntica que son imposibles de comprobar en los experimentos que ven¨ªamos haciendo hasta ahora. Esto abre un abanico muy interesante de posibilidades, porque hay docenas de predicciones interesantes que nunca hemos podido comprobar, ya que requieren un muy buen control sobre varios qubits. Ahora vamos a poder ponerlas a prueba¡±.

Chao-Yang Lu, de la USTC y tambi¨¦n coautor del experimento, a?ade: ¡°La aplicaci¨®n m¨¢s prometedora a corto plazo de los ordenadores cu¨¢nticos es la comprobaci¨®n de la propia mec¨¢nica cu¨¢ntica y el estudio de los sistemas de muchos cuerpos¡±.

El pr¨®ximo avance en la computaci¨®n cu¨¢ntica ser¨¢ contar con un qubit l¨®gico con mayor fidelidad que el f¨ªsico y ocurrir¨¢ en unos cinco a?os. En los hogares, las computadoras cu¨¢nticas, si se realizan, estar¨¢n disponibles primero a trav¨¦s de servicios en la nube

Jian-Wei Pan, f¨ªsico de la Universidad de Ciencia y Tecnolog¨ªa de China

De esta forma, el descubrimiento aporta no solo un camino para avanzar en el desarrollo de las computadoras cu¨¢nticas, sino tambi¨¦n una nueva forma de aproximarse a la naturaleza para entender los comportamientos e interacciones de part¨ªculas a nivel at¨®mico y subat¨®mico.

Y como todo avance, la apertura de nuevos caminos genera incertidumbres. Sin embargo, Jian-Wei Pan prefiere centrarse en los aspectos positivos: ¡°Construir un ordenador cu¨¢ntico pr¨¢cticamente ¨²til y tolerante a los fallos es uno de los grandes desaf¨ªos para el ser humano. Me preocupa m¨¢s c¨®mo y cu¨¢ndo construiremos uno. El desaf¨ªo m¨¢s formidable para construir una computadora cu¨¢ntica universal a gran escala es la presencia de ruido e imperfecciones. Necesitamos usar la correcci¨®n de errores cu¨¢nticos y operaciones tolerantes a fallos para superar el ruido y escalar el sistema. El pr¨®ximo avance en la computaci¨®n cu¨¢ntica ser¨¢ contar con un qubit l¨®gico con mayor fidelidad que el f¨ªsico y ocurrir¨¢ en unos cinco a?os. En los hogares, las computadoras cu¨¢nticas, si se realizan, estar¨¢n disponibles primero a trav¨¦s de servicios en la nube.

Aplicaciones

En este sentido, Cabello avanza que ¡°cuando los ordenadores cu¨¢nticos sean suficientemente grandes y tengan miles o millones de qubits, permitir¨¢n comprender reacciones qu¨ªmicas complejas que ayuden a dise?ar nuevos f¨¢rmacos y mejores bater¨ªas o a hacer simulaciones que lleven a desarrollar nuevos materiales o c¨¢lculos que permitan optimizar los algoritmos de inteligencia artificial y aprendizaje autom¨¢tico que se usan en log¨ªstica, ciberseguridad y finanzas, o que permitan descifrar los c¨®digos en los que se basa la seguridad de las comunicaciones actuales¡±

¡°Los ordenadores cu¨¢nticos¡±, seg¨²n explica el cient¨ªfico de la Universidad de Sevilla, ¡°utilizan las propiedades de la f¨ªsica cu¨¢ntica para realizar c¨¢lculos. A diferencia de los ordenadores que usamos, en los que la unidad b¨¢sica de informaci¨®n es el bit (que puede tomar dos valores), en un ordenador cu¨¢ntico, la unidad b¨¢sica es el bit cu¨¢ntico, o qubit, que posee un n¨²mero infinito de estados¡±.

A?ade Cabello que ¡°los ordenadores cu¨¢nticos que han construido empresas como Google, IBM o Rigetti aprovechan que objetos del tama?o de una micra y producidos mediante t¨¦cnicas est¨¢ndar de fabricaci¨®n de semiconductores pueden comportarse como qubits¡±.

La meta de los computadores con millones de qubits est¨¢ a¨²n lejos, ya que la mayor¨ªa de los ordenadores cu¨¢nticos actuales, seg¨²n aclara el f¨ªsico de la Universidad de Sevilla, ¡°solo tienen unos pocos qubits y no todos ellos suficientemente buenos¡±. Sin embargo, el hallazgo del equipo chino y espa?ol, permite ampliar los usos de los ordenadores existentes y entender fen¨®menos f¨ªsicos que han desconcertado a los cient¨ªficos durante a?os.

Cristal de tiempo

En este sentido, Google Quantum AI ha publicado en Nature la observaci¨®n, por primera vez, de un cristal de tiempo a trav¨¦s del procesador cu¨¢ntico Sycamore. Un cristal de tiempo es similar a un grano de sal compuesto de ¨¢tomos de sodio y cloro. Sin embargo, mientras las capas de ¨¢tomos de esa sal forman una estructura f¨ªsica en funci¨®n de patrones repetitivos en el espacio, en el cristal del tiempo se configura a partir de un patr¨®n oscilante. El procesador de Google ha sido capaz de observar esos patrones de ondas oscilatorias de cristales de tiempo estable.

Este hallazgo, seg¨²n explican Pedram Roushan y Kostyantyn Kechedzhi, muestra ¡°c¨®mo los procesadores cu¨¢nticos se pueden usar para estudiar nuevos fen¨®menos f¨ªsicos¡±. Y a?aden: ¡°Pasar de la teor¨ªa a la observaci¨®n real es un salto cr¨ªtico y es la base de cualquier descubrimiento cient¨ªfico. Investigaciones como esta abren la puerta a muchos m¨¢s experimentos, no solo en f¨ªsica, sino que con suerte inspiran futuras aplicaciones cu¨¢nticas en muchos otros campos¡±.

En Espa?a, un consorcio formado por siete empresas, cinco centros de investigaci¨®n (BSC, CSIC, DIPC, ICFO y Tecnalia) y la Universidad Polit¨¦cnica de Valencia (UPV) han puesto en marcha el proyecto CUCO para aplicar la computaci¨®n cu¨¢ntica en industrias estrat¨¦gicas espa?olas: energ¨ªa, finanzas, espacio, defensa y log¨ªstica. El proyecto CUCO, subvencionado por el Centro para el Desarrollo Tecnol¨®gico Industrial (CDTI) y con el apoyo del Ministerio de Ciencia e Innovaci¨®n, es el primer gran proyecto de computaci¨®n cu¨¢ntica en Espa?a en el campo empresarial y tiene por objetivo ¡°progresar en el conocimiento cient¨ªfico y tecnol¨®gico de algoritmos de computaci¨®n cu¨¢ntica mediante la colaboraci¨®n p¨²blico-privada entre empresas, centros de investigaci¨®n y universidades¡± para implantar estas tecnolog¨ªas a medio plazo. En el mismo participan siete empresas (Amatech, BBVA, DAS Photonics, GMV, Multiverse computing, Qilimanjaro Quantum Tech y Repsol), cinco centros de investigaci¨®n (BSC, CSIC, DIPC, ICFO y Tecnalia) y la UPV.

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