Investigadores de renombre mundial tenían sus ojos puestos en Copenhague cuando Niels Bohr cambió el mundo con sus teorías de física cuántica. La investigación cuántica en la UCPH vuelve a atraer la atención internacional. En un nuevo proyecto de gran envergadura, el profesor asociado Morten Kjaergaard y su equipo han construido los ordenadores cuánticos más grandes de Dinamarca. Ahora empiezan a experimentar.
Cuando el diminuto chip de la computadora cuántica alcanza los -273 grados, se produce la magia. Las partículas comienzan a comportarse de acuerdo con las inescrutables leyes de la física cuántica. Sin embargo, a pesar de su naturaleza desconcertante, estas leyes también brindan a las computadoras cuánticas el potencial para abordar algunos de los mayores desafíos del mundo.
«Si la mecánica cuántica no te ha impactado profundamente, no la has entendido», dijo el físico danés Niels Bohr hace casi un siglo. Pero el profesor asociado Morten Kjaergaard, de la Universidad de Copenhague, mantiene el pulso firme mientras diseña el desarrollo de los ordenadores cuánticos más potentes de Dinamarca.
Si la mecánica cuántica no te ha impactado profundamente, no la has entendido.
La aventura comenzó en 2007, cuando Morten Kjaergaard era estudiante de física. Ahora dirige una gran iniciativa cuántica en la Universidad de Copenhague.
Morten Kjaergaard aparece en la imagen debajo de uno de los ordenadores cuánticos, que están suspendidos de 200 kilos de aluminio en el techo para evitar vibraciones molestas.
Este año, él y su grupo de investigación están dando un gran paso adelante al poner en funcionamiento uno de los ordenadores cuánticos más grandes de Europa. Su objetivo es explorar cómo se pueden aplicar los principios de Bohr a un tipo de superordenador totalmente nuevo.
Los desafíos son numerosos y nadie conoce aún todo el potencial de las computadoras cuánticas. ¿Pueden acelerar la transición ecológica? ¿Enseñarnos más sobre los componentes fundamentales del universo? ¿O allanar el camino para una investigación bioquímica más eficiente para desarrollar medicamentos?
Los científicos y los líderes mundiales tienen grandes esperanzas.
En apenas unos años, Copenhague ha vuelto a convertirse en un centro de investigación cuántica internacional, como en la época de Niels Bohr hace cien años.
Cuando el nuevo centro de computación cuántica alcance su capacidad máxima, los dos nuevos ordenadores cuánticos podrán estudiar hasta 25 bits cuánticos (o cúbits) simultáneamente, es decir, aproximadamente cinco veces más que el segundo ordenador cuántico más grande de Dinamarca en la actualidad.
Computadora versus computadora cuántica
En 2019, Google logró utilizar 53 cúbits superconductores en un ordenador cuántico para realizar un cálculo en tan solo tres minutos. Se estima que el superordenador más grande del mundo tardaría unas cuatro semanas en realizar el mismo cálculo, incluso si funcionara a plena capacidad.
La supercomputadora Summit de IBM tiene miles de millones de bits ordinarios y está construida alrededor de miles de servidores conectados.
Ocupa nada menos que 520 metros cuadrados y pesa más de 340 toneladas. Un ordenador cuántico, con todo el equipamiento incluido, pesa unos cientos de kilos y cabe sin problemas en un espacio de oficina estándar.
El ordenador cuántico abierto y brillante es algo poco común incluso para los investigadores. Cuando se enciende, está envuelto en múltiples capas de aislamiento para mantener el nivel de temperatura de congelación que es esencial para que funcione. Cuando se reemplaza un componente, se eliminan las capas de aislamiento y el criostato debe calentarse lo suficiente para funcionar. Cuando se reemplaza el componente y se sella el ordenador, comienza el largo proceso de enfriamiento.
Muchos de los componentes del ordenador están recubiertos de oro. El oro refleja el calor y lo mantiene alejado de las partes del ordenador que necesitan estar cerca del cero absoluto para funcionar.El mecanico
Morten Kjaergaard se define a sí mismo como un mecánico cuántico. Está particularmente interesado en el desarrollo y la construcción de la mecánica real –los bloques de construcción fundamentales– de un ordenador cuántico. Como profesor asociado y líder del grupo de proyecto en QDev – Center for Quantum Devices y NQCP – Novo Nordisk Foundation Quantum Computing Programme, actualmente está involucrado en la construcción del nuevo ordenador cuántico.
Junto con un gran equipo de investigadores y estudiantes, Morten Kjaergaard está decidido a hacer que los cúbits sean más estables y utilizables. Cuando era estudiante, era difícil imaginar que un día Dinamarca acogería proyectos multimillonarios para desarrollar ordenadores cuánticos.
El chip cuántico tiene el tamaño de la uña del dedo meñique. En el patrón que forma los cúbits, los investigadores han colocado material superconductor que se comporta de manera cuántica a las temperaturas adecuadas. El material puede ser, por ejemplo, aluminio. Al mismo tiempo, los investigadores están experimentando con el corte de diferentes patrones en el chip, ya que el patrón es crucial para el comportamiento de las partículas.
Frío extremo
Un ordenador cuántico como éste consta de un congelador –un criostato– con un chip cuántico en la parte inferior.
Han sido necesarios tres descubrimientos que merecieron el Premio Nobel para conseguir que un criostato fuera lo suficientemente frío como para que funcionara un ordenador cuántico. El enfriamiento se realiza mediante helio.
Los últimos grados de refrigeración hacia el cero absoluto se consiguen mediante dos cilindros situados a la derecha de la imagen. Detrás de uno de los otros componentes clave se encuentra una startup danesa originaria de la UCPH.Cada detalle está cuidadosamente planificado.
La construcción de ordenadores cuánticos avanzados requiere tanto ingenio práctico como una planificación meticulosa. Antes de suspender los ordenadores, el grupo de investigación ha planificado cuidadosamente cada detalle y seleccionado todos los componentes de los ordenadores.
El trabajo de una semana se condensa en un minuto:
https://video.ku.dk/v.ihtml/player.html?token=459ba14aca315110d1f5a4dba108b00e&source=embed&photo%5fid=103390721Dos especialistas habían llegado desde Finlandia para ayudar al equipo de SQuID a instalar el sistema informático cuántico. Otros empleados de la UCPH también prestaron su ayuda. La culminación de años y meses de trabajo.Enfoque experimental
El viaje de Morten Kjaergaard hacia el mundo de los ordenadores cuánticos comenzó en 2007. Un comentario casual sobre los ordenadores cuánticos por parte de un profesor en uno de sus primeros cursos de física despertó su interés.
«Siempre he sido un apasionado de la informática y he construido ordenadores toda mi vida. Así que cuando oí hablar por primera vez de la posibilidad de combinar la física cuántica y la informática, me enganché», afirma Morten Kjaergaard.
Su interés por los ordenadores cuánticos le ha llevado a formar parte de grupos de élite de la Universidad de Harvard y del MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts) en Estados Unidos, donde se formó con destacados investigadores internacionales en informática cuántica.
Si volvemos a hablar dentro de unos años, no me oiréis decir: «maldita sea, el ordenador cuántico todavía no puede calcular algo súper complejo».
En 2020, regresó al lugar donde todo comenzó: el Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague. Su grupo de investigación, SQuID Lab (Superconducting Quantum Information Devices Lab), lleva a cabo investigaciones sobre métodos innovadores para desarrollar y utilizar ordenadores cuánticos superconductores. Junto con otros grupos de investigación, su grupo está trabajando para desarrollar una base que permita cálculos actualmente inconcebibles para los ordenadores ordinarios. Mientras que las grandes empresas tecnológicas como IBM y Google se centran en la creación de ordenadores cuánticos grandes y eficientes, SQuID Lab está en una posición única para experimentar con los ordenadores y optimizarlos.
Los mayores desafíos
Los ordenadores cuánticos se construyen en congeladores, conocidos como criostatos, porque las partículas de los cúbits son inestables e hipersensibles a influencias externas, como las fluctuaciones de temperatura. El congelador llega a alcanzar los -273,14 grados, una centésima de grado por encima del cero absoluto y unas 100 veces más frío que el espacio exterior.
El diminuto procesador, que en realidad es el ordenador cuántico (una colección de cúbits), es el cerebro del ordenador y se encuentra en el fondo del congelador. Allí residen las partículas, que no deben ser perturbadas. Incluso en el congelador helado, solo son estables durante una décima de segundo antes de volverse inestables de nuevo. Esto dificulta la recuperación de los cálculos finales solicitados al ordenador.
El grupo lleva a cabo experimentos teóricos y prácticos para desarrollar y probar diferentes tipos de qubits superconductores y, fundamentalmente, explorar cómo pueden maximizar el poder de procesamiento de cada qubit.
Es casi como si la naturaleza nos estuviera instando a aprovechar esta oportunidad.
Los investigadores no saben si han encontrado el método definitivo para construir el tipo de ordenadores cuánticos que serán necesarios en el futuro para que podamos utilizar su potencia de procesamiento de forma más amplia y no solo para la investigación. Por eso, el enfoque experimental tiene mucho sentido.
“Si volvemos a hablar dentro de unos años, no me oirán decir ‘maldita sea, el ordenador cuántico todavía no puede calcular nada supercomplejo’. Pase lo que pase, estoy seguro de que para entonces habremos adquirido una comprensión más profunda de cómo desarrollar ordenadores cuánticos”. Y lo que es más importante, hemos aprendido de nuestros errores a lo largo del camino y, en el proceso, hemos contribuido a una valiosa investigación y educación”, afirma Morten Kjaergaard.Tan intrincado que Einstein no pudo aceptarlo
La mecánica cuántica es la teoría subyacente a los ordenadores cuánticos. Tiene consecuencias tan intrincadas que incluso Albert Einstein se fue a la tumba sin poder aceptar varias de ellas.
Por ejemplo, que las partículas puedan estar en una superposición, que también desempeña un papel crucial en las capacidades de los ordenadores cuánticos.
Podemos ofrecerles oportunidades de investigación de vanguardia con algunos de los mejores equipos del mundo.
Imaginemos que una computadora normal es una caja de pequeños dispositivos llamados bits. La cantidad de bits determina la capacidad de procesamiento de una computadora. Cada bit consta de transistores que pueden estar encendidos (1) o apagados (0).
Entendiendo la diferencia
Svend Krøjer Møller, investigador postdoctoral en SQuID Lab, explica a continuación por qué la superposición hace que las computadoras cuánticas sean mucho más rápidas que las computadoras normales (sólo en danés).
La complejidad radica, entre otras cosas, en que las partículas dejan de estar en superposición cuando se miden. Suena incomprensible. Morten Kjaergaard sigue asombrado por lo sorprendente y compleja que es la física cuántica. Pero para él, lo más importante –y lo más fascinante– es que la teoría se sostiene en la práctica y que podemos construir un ordenador que explote los principios centenarios de Bohr. Y tal vez, en el futuro, los ordenadores cuánticos puedan resolver lo que hoy es irresoluble utilizando las increíbles leyes de la física cuántica.
“Haber logrado la capacidad de controlar la naturaleza con tanta precisión que podemos construir computadoras cuánticas es una locura y una fascinación absoluta. Independientemente de las aplicaciones que pueda tener una computadora cuántica futura, es casi como si la naturaleza nos estuviera instando a aprovechar esta oportunidad. Y con la tecnología y el conocimiento sofisticado de los cúbits que tenemos hoy, es una invitación que no podemos rechazar”, afirma Morten Kjaergaard.
Magia cuántica: entrelazamiento
La superposición por sí sola no es «suficiente» para crear cúbits y, en última instancia, computadoras cuánticas. Los sistemas mecánicos cuánticos también explotan otra capacidad cuántica igualmente incomprensible: el entrelazamiento. El entrelazamiento permite que dos cúbits en superposición se comporten de manera idéntica, no solo un poco, sino completamente idéntica. Por lo tanto, si dos cúbits en superposición han interactuado, posteriormente se entrelazarán y se comportarán exactamente de la misma manera, incluso si están muy separados.
De modo que, en el momento en que un cúbit colapsa debido a su superposición, el otro también colapsa. Y si un cúbit colapsa en 1, el otro también colapsará en 1, de manera completamente simultánea.
Imaginemos que dos cúbits son peonzas. Cuando giran, están en superposición, como en el vídeo de Svend. Si estas dos peonzas entran en contacto, quedan conectadas para siempre. No importa en qué parte del universo se encuentren, se comportarán de forma idéntica. Por tanto, si una peonza se detiene en rojo, la otra se detendrá, también en rojo. No solo un poco más tarde, sino exactamente en el mismo milisegundo, independientemente de si la distancia entre las dos peonzas abarca fronteras, planetas o sistemas solares.Tras las huellas de los genios
Morten Kjaergaard ha trasladado su visión de futuro a su liderazgo del grupo de investigación SQuID Lab. Allí, investigadores jóvenes, estudiantes de doctorado e investigadores de alto nivel siguen los pasos de leyendas mientras se adentran en ondas, partículas y algoritmos a través de la compleja electrónica de los ordenadores cuánticos. Y existe una feroz competencia para unirse al equipo.
«Atraemos a algunos de los estudiantes más brillantes de todo el mundo. Podemos ofrecerles oportunidades de investigación de vanguardia con algunos de los mejores equipos del mundo, incluido el laboratorio que estamos montando ahora mismo, para que juntos podamos ampliar los límites de la investigación en computación cuántica», afirma Morten Kjaergaard.
Prioriza la formación y la enseñanza de los estudiantes, un enfoque que aprendió de los profesores que fueron sus mentores cuando era estudiante e investigador en algunas de las mejores universidades del mundo.
“Ganamos muchísimo porque estos jóvenes estudiantes talentosos aportan ideas nuevas y creativas y ayudan a crear un ambiente agradable donde todos se sienten cómodos”, dice Morten Kjaergaard.
Algunos miembros del grupo exploran las fronteras de la física cuántica, mientras que otros se centran en cuál es la mejor manera de vincular qubits o experimentan para evitar errores e interrupciones cuando se trabaja con múltiples qubits simultáneamente.
Los ministros y líderes mundiales ven un gran potencial
Los rumores sobre un entorno cuántico excepcionalmente potente atraen a las mentes más brillantes de todo el mundo a Dinamarca y Copenhague. En tan solo unos años, Copenhague y sus alrededores se han convertido en el hogar de entornos de investigación y empresas emergentes que basan su negocio en la tecnología cuántica. La atención de los ministros y los líderes mundiales, que ven el potencial de la tecnología cuántica, es innegable.
«Esto refleja nuestra sólida posición internacional en este campo. También me complace ver cómo el proyecto fomenta la estrecha colaboración entre empresas, universidades y el sector sanitario. Se alinea perfectamente con el programa de investigación estratégica del gobierno, que lanzamos a principios de este verano con una estrategia nacional para la tecnología cuántica; esperamos que el proyecto pueda acercar la tecnología cuántica a la provisión de soluciones en áreas como la atención sanitaria y el clima», dice Christina Egelund, Ministra de Educación Superior y Ciencia, sobre el proyecto de computación cuántica.
El trabajo que Niels Bohr inició hace más de 100 años ha sido continuado por investigadores tras investigadores. Como Morten Kjaergaard, han insistido en contribuir a los avances científicos. El mundo entero ha reconocido que, una vez más, el Instituto Niels Bohr y Dinamarca albergan un entorno de investigación de primera clase en física cuántica. ¿Y quién sabe? Tal vez el próximo gran avance cuántico ocurra aquí mismo, en Copenhague.
Sobre el proyecto
Los nuevos ordenadores cuánticos de la Universidad de Copenhague cuentan con el apoyo del Programa de Computación Cuántica de la Fundación Novo Nordisk (NQCP) y de Applied Quantum Computing Denmark (DanQ, con el apoyo del Fondo de Innovación de Dinamarca). La investigación en el laboratorio también forma parte del centro NQCP, que se centra en mejorar los cúbits sensibles mediante la investigación de materiales avanzados para desarrollar componentes para los futuros ordenadores cuánticos.
Durante los próximos cuatro años, los investigadores del proyecto trabajarán con destacados investigadores cuánticos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Boston. Con dos ordenadores cuánticos idénticos, realizarán experimentos en paralelo, compararán resultados e intercambiarán investigadores e ideas. UCPH News. Traducido al español
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