Cuando Michael Freedman se unió al grupo de investigación teórica de Microsoft hace dos décadas, era un reconocido genio matemático conocido por su investigación fundamental sobre un campo oscuro de las matemáticas llamado topología.
Su trabajo —que no considerábamos fuera un trabajo real en lo absoluto— era tan solo realizar operaciones matemáticas, sin límites.
Ese extenso proyecto terminó por colocar a Microsoft en el camino hacia el desarrollo del primer qubit topológico, un tipo robusto de bit cuántico que la compañía considera que servirá como la base para un sistema de cómputo cuántico de uso general y escalable —y para marcar un profundo avance en el campo de la física cuántica—.
“Vemos los posibles cimientos de una nueva y revolucionaria tecnología”, dijo Todd Holmdahl, el vicepresidente corporativo de Microsoft a cargo del esfuerzo cuántico.
Durante la conferencia Ignite de Microsoft, la compañía mostró el progreso que se ha realizado hacia el desarrollo tanto de un qubit cuántico como de un ecosistema de hardware y software que con el tiempo permitirá a una amplia variedad de desarrolladores aprovechar el poder del cómputo cuántico.
Ese progreso incluye un nuevo lenguaje de programación que está integrado de manera profunda en Visual Studio y diseñado para funcionar tanto en un simulador cuántico como en una computadora cuántica.
El plan de Microsoft de construir un ecosistema de cómputo cuántico se basa en el campo de las matemáticas de Freedman y en una rama de la física tan aparentemente mística que sus pioneros aludían a la filosofía y la espiritualidad para describirla, y para la cual sus discípulos posteriores requirieron buscar financiamiento y apoyo de los gurús de la autoayuda en los años 70. Incluso en la actualidad, los expertos utilizan términos como “estado mágico” para describir algunos elementos de la teoría y práctica del cómputo cuántico.
Las ventajas del cómputo cuántico
A pesar de que evoca comparaciones místicas, los expertos consideran que el cómputo cuántico podría tener incontables beneficios prácticos, ya que permitiría a los científicos realizar en minutos u horas, cálculos que tomarían toda una vida del universo en realizarse incluso con las computadoras clásicas más avanzadas que utilizamos hoy en día. Eso, a su vez, significaría que la gente podría encontrar respuestas a preguntas científicas antes imposibles de responder.
Los investigadores afirman que el cómputo cuántico podría utilizarse en el futuro para resolver algunos de los problemas más graves del mundo: desde la hambruna mundial hasta los efectos peligrosos del cambio climático.
“Una computadora cuántica es capaz de crear un modelo de la naturaleza”, dijo Krysta Svore, quien ha dirigido el desarrollo de un software de Microsoft diseñado para funcionar en computadoras cuánticas, así como simuladores cuánticos que permiten continuar el desarrollo incluso mientras se construyen las primeras máquinas. “Con las computadoras clásicas no podemos entender por completo esos procesos”.
En uno de sus primeros usos, los expertos consideran que una computadora cuántica topológica ayudará a los investigadores de la inteligencia artificial (IA) a acelerar el proceso manual de entrenar a los algoritmos que utilizan el aprendizaje automático.
Craig Mundie, quien como jefe de investigación y estrategia en Microsoft respaldó la iniciativa de Freedman de incursionar en el cómputo cuántico hace 12 años, comentó que, si una computadora cuántica puede procesar de manera hipotética un algoritmo en entrenamiento para la asistente digital Cortana en un solo día en lugar de un mes, se lograría una mejora profunda en los adelantos de IA.
“Aunque todo lo demás no cambiara, Cortana mejoraría 30 veces más rápido”, dijo Mundie, quien continua sumamente involucrado en el proyecto.
Para Freedman, ver cómo el trabajo de toda su vida en matemáticas teóricas se convierte en una plataforma de cómputo real que podría resolver los problemas antes irresolubles es “muy intenso”. Después de dedicar la mayor parte de su carrera a explorar sin límites las matemáticas teóricas, quizá sea irónico que los nudos —o, en específico, la teoría de nudos topológicos— son parte de lo que lo llevó a lo que de manera afectiva denomina el primer trabajo real de su vida: desarrollar un qubit topológico.
Freedman afirma que dedica poco tiempo a pensar en la manera en que su trabajo podría cambiar la vida de las personas.
“Me preguntan sobre las aplicaciones del cómputo cuántico. Que cuál es mi motivación. Que, si quiero curar enfermedades, diseñar materiales nuevos, proteger el ambiente”, dijo. “La verdad no es nada de eso. En esta etapa del proyecto, lo único que me importa es lograr que el cómputo cuántico funcione”.
De lo teórico a lo práctico
Parte del reto de Freedman es que Microsoft no sólo está interesado en construir una computadora cuántica que pueda presumir en algún laboratorio. Por el contrario, la compañía se ha embarcado en un plan de entregar un sistema de cómputo cuántico topológico integral. Eso incluye todo desde hardware capaz de realizar cálculos de manera consistente que requieren decenas de miles de qubits lógicos hasta una pila entera de software que pueda programar y controlar la computadora cuántica.
“Estamos todo”, dijo Holmdahl. “Desde la física y el plano de control hasta el software que opera la computadora y los algoritmos que necesitas para hacer cosas interesantes como química cuántica y aplicaciones para medicina personalizada o cambio climático”.
Microsoft incluso contaba con un proyecto de investigación complementario enfocado en la criptografía y la seguridad en un mundo poscuántico, y ha participado en esfuerzos de la industria para preparar algoritmos criptográficos resistentes al cuanto. La parte central de los esfuerzos de Microsoft es el qubit topológico.
Hace 12 años, cuando Freedman se acercó a Mundie en busca de apoyo para su idea de cómputo cuántico, Mundie dijo que el cómputo cuántico se encontraba algo estancado. Aunque los físicos comenzaban a hablar sobre la posibilidad de construir computadoras cuánticas durante años, luchaban por crear un qubit funcional con una fidelidad lo bastante alta para ser útil en la construcción de una computadora funcional.
Los investigadores que utilizan qubits físicos con un grado mínimo de fidelidad requieren unos 10 mil de estos para formar un qubit “lógico”, que es un qubit lo bastante confiable para cualquier cómputo en verdad útil.
El problema es que los qubits tienen una sensibilidad muy alta. Si los perturbas en la manera incluso más pequeña, se “despegan”, lo que en términos sencillos significa que dejan de estar en el estado sólido necesario para poder utilizarse para el cómputo.
Freedman había explorado la idea de que los qubits topológicos podrían ser más robustos porque sus propiedades topológicas los harían más estables y proporcionarían una protección contra errores más innata. Eso se debe a que, por definición, el estado topológico de la materia es aquel en que un electrón se puede fraccionar y aparecer en diferentes lugares dentro de un sistema.
Una vez que el electrón se divide, es más difícil que se perturbe porque debes alterar todos los lugares diferentes donde se almacena la información.
Mundie, diseñador de supercomputadoras e ingeniero de software desde hace años, dijo que aceptó de inmediato la idea de un bit cuántico que fuera tanto más robusto como tolerante a fallas. Eso haría mucho más manejable la tarea de diseñar una máquina útil y escalable.
“El cómputo en sí mismo ya había comenzado a transformar todos los sectores de la sociedad y la economía”, dijo. “Me percaté de que si se pudiera crear una nueva clase de cómputo que fuera capaz de alterar esos bloques fundamentales, quizá se podría volver a hacer lo que el cómputo había hecho en los últimos 50 o 60 años”.
Una pila completa
Con el apoyo de Mundie, Freedman estableció un laboratorio en Santa Bárbara, California, y comenzó a reclutar a algunos de los físicos teóricos y de materia condensada, científicos de materiales, matemáticos y científicos informáticos más prominentes del mundo para trabajar en el desarrollo del qubit topológico. Ese equipo ahora cuenta con muchos expertos en cómputo cuántico que se han unido a Microsoft como empleados en el último año, incluyendo Leo Kouwenhoven, Charles Marcus, David Reilly y Matthias Troyer.
Para construir la infraestructura de una plataforma de cómputo completa, Microsoft ha trabajado de manera simultánea en el desarrollo de hardware, software y lenguajes de programación para el cómputo cuántico topológico.
En el primer día de Ignite, Microsoft anunció el logro más reciente en su esfuerzo por construir una nueva pila: un nuevo lenguaje de programación que está diseñado para que los desarrolladores creen aplicaciones para depurar en simuladores cuánticos en el presente y funcionar en una computadora cuántica topológica en el futuro.
“El mismo código que ejecutas en la actualidad en la simulación podrás ejecutarlo en el futuro en nuestra computadora cuántica”, dijo Svore.
Svore mencionó que las nuevas herramientas están diseñadas para los desarrolladores interesados en colocarse a la vanguardia de los adelantos informáticos —el mismo tipo de personas que fueron los primeros en adoptar el aprendizaje automático y otros adelantos en inteligencia artificial—.
No tienes que ser un físico cuántico para utilizarlos. El nuevo lenguaje de programación está integrado de manera profunda en Visual Studio e incluye el tipo de herramientas que los desarrolladores utilizan para el cómputo clásico, tales como depuración y autocompletar.
“No será muy diferente de las cosas que ya se hacen”, dijo Svore.
El sistema, que estará disponible como versión preliminar gratuita a finales del año, también incluye bibliotecas y tutoriales para que los desarrolladores se familiaricen con el cómputo cuántico. Está diseñado para funcionar en un nivel más alto de abstracción, a fin de que los desarrolladores sin experiencia en cómputo cuántico puedan invocar subrutinas cuánticas, o escribir secuencias de instrucciones de programación, hasta llegar a escribir un programa cuántico entero. Los desarrolladores ya pueden registrarse para participar.
El sistema está diseñado para que los usuarios individuales puedan simular problemas que requieren hasta 30 qubits lógicos de poder en sus propias computadoras personales, y ciertos clientes empresariales, por medio de Azure, pueden simular más de 40 qubits de poder de cómputo.
En el cómputo cuántico, el poder aumenta de manera exponencial con el número de qubits lógicos. Un qubit lógico es el qubit al nivel del algoritmo. En ese nivel de hardware, cada qubit lógico se representa en el hardware con un número de qubits físicos para poder proteger la información lógica. El enfoque de Microsoft utiliza menos qubits topológicos para desarrollar un qubit lógico, lo que simplifica en extremo su escalamiento.
Svore afirmó que una de las ventajas clave de contar con un lenguaje de programación que funcione en un ambiente de simulación es que ayudará a la gente interesada en utilizar computadoras cuánticas a resolver problemas y obtener un mejor conocimiento de cómo aplicar el poder cuántico en diferentes tipos de problemas. Eso acelerará su capacidad de aprovechar el cómputo cuántico cuando esté disponible.
El lugar más frío de la Tierra
A pesar de que un qubit topológico es más robusto que un qubit normal, el primero sigue siendo bastante frágil. La única manera de protegerlo de la interferencia externa que podría causar que se despegara es crearlo y operarlo en un lugar muy, muy frío.
Douglas Carmean, un arquitecto en la división de cómputo cuántico de Microsoft, dirige al grupo que trabaja en una arquitectura de sistema en la cual los qubits operan apenas por encima del cero absoluto, o 30 milikelvins —el lugar más frío de la Tierra, más frío que el espacio profundo— mientras siguen comunicándose con la gente y otras computadoras que operan a temperatura ambiente.
Ese es el tipo de adelanto que un investigador intentaría lograr en un entorno de laboratorio perfecto con un qubit. Pero Carmean desea construir sistemas que los programadores puedan utilizar para calcular cientos de miles de qubits lógicos, o más.
“Mi trabajo consiste básicamente en tomar lo que los teóricos y los experimentalistas han demostrado que funciona y luego crear millones de ellos en un factor de forma que sea útil”, concluyó.
El final del principio de un largo camino
Los expertos en cómputo cuántico por lo general señalan dos cosas: que uno de los mejores usos del qubit topológico es para desarrollar mejores tecnologías de cómputo cuántico, y que uno de los grandes placeres de ese tipo de trabajo es que no puedes predecir los adelantos asombrosos que producirá.
Cuando Mundie apoyó por primera vez el esfuerzo de investigación de Freedman hace 12 años, lo hizo porque pudo vislumbrar que llegaría hasta el punto en el que se encuentra en la actualidad, donde la teoría cuántica podría conducir a la ingeniería.
Más de 50 años después de que Richard Feynman concibiera la idea del cómputo cuántico, Mundie ahora mira hacia el futuro de la economía cuántica que considera que este el nuevo tipo de cómputo creará. Al igual que el cómputo clásico ha cambiado prácticamente todos los aspectos de la sociedad, piensa que el cómputo cuántico con el tiempo ayudará a promover cambios revolucionarios en casi todo, comenzando por la química, los materiales y el aprendizaje automático.
“Por primera vez en 70 años hemos comenzado a ver la manera de construir un sistema informático que es completamente diferente”, dijo. “No se trata de un ajuste incremental ni de una mejora, sino de algo cualitativamente diferente”.
Por Allison Linn, escritora y editora senior de contenido mutimedia en Microsoft
