Experimental Benchmarking of a 256-Qubit Room-Temperature NV-Diamond Quantum Processor with an Optically Programmable Biomolecular Quantum Bus
Este artículo reporta la evaluación comparativa experimental de Zeus-256, un procesador cuántico de diamante-NV de 256 cúbits a temperatura ambiente que utiliza un novedoso bus cuántico biomolecular ópticamente programable, el cual ejecutó con éxito algoritmos complejos incluyendo el algoritmo de Shor para enteros de 84 bits y protocolos de entrelazamiento de alta fidelidad, aunque todavía no demuestra ventaja cuántica.
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La computación cuántica promete resolver problemas que son actualmente imposibles incluso para las supercomputadoras más potentes, pero construir una máquina capaz de hacer esto es increíblemente difícil. El desafío central radica en mantener estable la delicada información cuántica. En muchos sistemas, las diminutas partículas utilizadas para almacenar datos, llamadas cúbits, pierden sus propiedades especiales casi instantáneamente si se calientan demasiado o interactúan con su entorno. Esto usualmente obliga a los científicos a enfriar sus máquinas a temperaturas cercanas al cero absoluto, lo que requiere sistemas de refrigeración masivos y complejos. Otro obstáculo es conectar estos cúbits. Para realizar un cálculo, los cúbits deben comunicarse entre sí, pero en muchos diseños, solo pueden comunicarse con sus vecinos inmediatos. Para llevar la información de un lado al otro del chip, la computadora tiene que pasar los datos a través de una larga cadena de vecinos, lo que ralentiza todo e introduce errores. La pregunta que los investigadores se han estado haciendo es si es posible construir una computadora cuántica grande y útil que funcione a temperatura ambiente y que pueda conectar cualquier parte de su cerebro con cualquier otra parte sin estas cadenas lentas y propensas a errores.
Un equipo de investigadores ha demostrado ahora un nuevo tipo de procesador cuántico que opera a temperatura ambiente y utiliza un material biológico único para resolver el problema de la conexión. Construyeron un dispositivo llamado Zeus-256, que contiene 256 unidades de procesamiento activas, o cúbits lógicos, dispuestas en una cuadrícula. A diferencia de otros sistemas que podrían reutilizar un pequeño número de cúbits a lo largo del tiempo para simular una máquina más grande, cada una de estas 256 unidades está activa y trabajando simultáneamente. El procesador está construido sobre un pequeño cristal de diamante que contiene centros de nitrógeno-vacante, que son diminutos defectos en la estructura del diamante que actúan como los cúbits. Estos defectos se controlan mediante microondas y ondas de radio, mientras que su estado se lee mediante luz. La innovación más significativa, sin embargo, es cómo los cúbits se comunican entre sí. En lugar de depender de cables físicos o de mover los cúbits, los investigadores colocaron una capa especial de material basado en proteínas sobre el diamante. Esta capa actúa como un puente programable, o "bus cuántico", que puede sintonizarse con luz para conectar dos cúbits cualesquiera, incluso aquellos que están alejados en el chip. Esto permite que la computadora realice operaciones complejas sin los retrasos habituales causados por la distancia.
Los investigadores probaron esta máquina ejecutando una amplia variedad de algoritmos cuánticos estándar para ver qué tan bien se desempeñaba. Ejecutaron con éxito circuitos diseñados para crear estados entrelazados complejos, buscar patrones específicos y realizar cálculos matemáticos. Una de las pruebas más impresionantes involucró un famoso algoritmo para encontrar los factores de números grandes, una tarea que es central para la criptografía moderna. El equipo ejecutó este algoritmo en 11 números diferentes, que van desde enteros de 8 bits hasta un enorme número de 84 bits. Para el número más grande, que requería que los 256 cúbits trabajaran juntos, la máquina registró una bandera de "recuperación de factor" para la instancia después de intentos de 10. Sin embargo, el estudio no revela los divisores específicos encontrados, el recuento de éxitos para cada intento individual, ni la probabilidad de éxito por intento. Todo el proceso para este cálculo difícil tomó poco más de medio segundo. En otra prueba, la máquina creó un tipo específico de estado altamente entrelazado que involucra a los 256 cúbits a la vez. Cuando midieron la calidad de este estado, encontraron que coincidía con el objetivo teórico ideal con una fidelidad de casi el 99.9 por ciento, lo que indica que la información cuántica se mantuvo notablemente estable a pesar del entorno a temperatura ambiente.
El estudio también midió cuánto tiempo le tomó a la máquina completar estas tareas. Los investigadores encontraron que el tiempo que tomaba ejecutar un programa dependía mucho más de la complejidad de las instrucciones y de la estructura específica del cálculo que del mero número de cúbits utilizados. Por ejemplo, algunos cálculos que usaban menos cúbits tardaron mucho más que otros que usaban más cúbits, simplemente porque las instrucciones eran más intrincadas. Esto sugiere que la velocidad del procesador está determinada por cómo el software se traduce en los pulsos físicos que controlan el diamante, más que por el tamaño del registro. El equipo también verificó que la máquina se estaba comportando realmente de una manera cuántica al medir las correlaciones entre pares de cúbits. Los resultados mostraron un nivel de conexión que es imposible de lograr con la física clásica, confirmando que el dispositivo estaba operando como un sistema cuántico genuino.
Aunque la máquina es un paso significativo hacia adelante, los investigadores advierten cuidadosamente lo que ha logrado y lo que no. Establecen explícitamente que este trabajo aún no demuestra que la máquina pueda resolver problemas más rápido que las mejores computadoras clásicas, un hito conocido como ventaja cuántica. Los datos de tiempo proporcionados son una medida de la velocidad de ejecución interna del procesador y no incluyen el tiempo necesario para que la computadora traduzca el código del usuario o para que la luz sea recolectada y analizada. El dispositivo de 256 cúbits es la versión más grande que han construido y probado hasta ahora. Describen un objetivo de ingeniería futuro para escalar este mismo diseño a casi 10,000 cúbits, pero aclaran que esta versión más grande aún no ha sido construida. El éxito actual depende de un material biológico patentado que actúa como la capa de conexión, cuya composición química exacta no se divulga. Sin embargo, el hecho de que una máquina que utiliza este enfoque pueda coordinar 256 cúbits a temperatura ambiente y realizar interacciones complejas de largo alcance sugiere un camino viable hacia computadoras cuánticas más grandes y prácticas que no requieran un enfriamiento extremo. El trabajo demuestra que la combinación de cúbits basados en diamante, memoria de espín nuclear y un puente biológico controlado por luz puede crear un procesador cuántico funcional a temperatura ambiente capaz de manejar tareas computacionales sustanciales.
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