The contents of this metal cylinder could either revolutionize technology or be completely useless— it all depends on whether we can harness the strange physics of matter at very, very small scales. To have even a chance of doing so, we have to control the environment precisely: the thick tabletop and legs guard against vibrations from footsteps, nearby elevators, and opening or closing doors. The cylinder is a vacuum chamber, devoid of all the gases in air. Inside the vacuum chamber is a smaller, extremely cold compartment, reachable by tiny laser beams. Inside are ultra-sensitive particles that make up a quantum computer.
El contenido de este cilindro metálico podría, o bien, revolucionar la tecnología o ser completamente inútil, todo depende de si podemos aprovechar la extraña física de la materia a escalas muy, muy pequeñas. Para tener la oportunidad de hacerlo, debemos controlar el entorno de forma precisa: el ancho del tablero y las patas protegen de la vibración de las pisadas, los ascensores cercanos, y el abrir y cerrar de puertas. El cilindro es una cámara de vacío, sin ninguno de los gases del aire. Dentro de la cámara de vacío hay un pequeño compartimiento, extremadamente frío accesible por pequeños rayos láser. Dentro hay partículas ultrasensibles que componen la computadora cuántica.
So what makes these particles worth the effort? In theory, quantum computers could outstrip the computational limits of classical computers. Classical computers process data in the form of bits. Each bit can switch between two states labeled zero and one. A quantum computer uses something called a qubit, which can switch between zero, one, and what’s called a superposition. While the qubit is in its superposition, it has a lot more information than one or zero. You can think of these positions as points on a sphere: the north and south poles of the sphere represent one and zero. A bit can only switch between these two poles, but when a qubit is in its superposition, it can be at any point on the sphere. We can’t locate it exactly— the moment we read it, the qubit resolves into a zero or a one. But even though we can’t observe the qubit in its superposition, we can manipulate it to perform particular operations while in this state.
¿Qué hace que estas partículas merezcan el esfuerzo? En teoría, las computadoras cuánticas podrían superar los límites de las computadoras clásicas. Las computadoras clásicas procesan los datos en forma de bits. Cada bit puede cambiar entre dos estados marcados como 0 y 1. Una computadora cuántica usa algo denominado cúbit, que puede cambiar entre 0, 1 y lo que se llama una superposición. Si el cúbit está en su superposición, contiene mucha más información que un 1 o un 0. Puedes pensar en estas posiciones como puntos en una esfera: los polos norte y sur de la esfera representan el 1 y el 0. Un bit solo puede cambiar entre estos dos polos, pero cuando un cúbit está en superposición, puede estar en cualquier punto de la esfera. No podemos localizarlo exactamente... en el momento que lo leemos, el cúbit se convierte en un 0 o un 1. A pesar de que no podemos observar el cúbit en su superposición, podemos manipularlo para realizar operaciones concretas en ese estado.
So as a problem grows more complicated, a classical computer needs correspondingly more bits to solve it, while a quantum computer will theoretically be able to handle more and more complicated problems without requiring as many more qubits as a classical computer would need bits.
A medida que el problema se complica, una computadora clásica necesita más bits para resolverlo, mientras que una computadora cuántica podrá teóricamente manejar problemas cada vez más complicados sin requerir tantos más cúbits como una computadora clásica bits.
The unique properties of quantum computers result from the behavior of atomic and subatomic particles. These particles have quantum states, which correspond to the state of the qubit. Quantum states are incredibly fragile, easily destroyed by temperature and pressure fluctuations, stray electromagnetic fields, and collisions with nearby particles. That’s why quantum computers need such an elaborate set up. It’s also why, for now, the power of quantum computers remains largely theoretical. So far, we can only control a few qubits in the same place at the same time.
Las propiedades únicas de las computadoras cuánticas son el resultado del comportamiento de partículas atómicas y subatómicas. Estas partículas tienen estados cuánticos, que correspondan al estado del cúbit. Los estados cuánticos son muy frágiles, fácilmente destruibles por temperatura o fluctuaciones de presión, campos electromagnéticos perdidos, y colisiones con partículas cercanas. Por eso las computadoras cuánticas necesitan una configuración tan elaborada. También por eso, por ahora, el poder de las computadoras cuánticas sigue siendo en gran medida teórico. Por ahora, solo podemos controlar pocos cúbits en el mismo lugar al mismo tiempo.
There are two key components involved in managing these fickle quantum states effectively: the types of particles a quantum computer uses, and how it manipulates those particles. For now, there are two leading approaches: trapped ions and superconducting qubits.
Hay dos componentes clave involucrados en la gestión efectiva de estados cuánticos volubles: los tipos de partículas que usa una computadora cuántica, y cómo manipula esas partículas. Por ahora, hay dos enfoques principales: trampa de iones y cúbits superconductores.
A trapped ion quantum computer uses ions as its particles and manipulates them with lasers. The ions are housed in a trap made of electrical fields. Inputs from the lasers tell the ions what operation to make by causing the qubit state to rotate on the sphere. To use a simplified example, the lasers could input the question: what are the prime factors of 15? In response, the ions may release photons— the state of the qubit determines whether the ion emits photons and how many photons it emits. An imaging system collects these photons and processes them to reveal the answer: 3 and 5.
Una computadora cuántica de trampa de iones utiliza iones como partículas y los manipula con láseres. Los iones se alojan en una trampa hecha de campos eléctricos. Las entradas de los láseres dicen a los iones qué operación hacer haciendo que el estado del cúbit gire en la esfera. Para usar un ejemplo simplificado, los láseres pueden plantear la pregunta: ¿Cuáles son los factores primos de 15? En respuesta, los iones pueden liberar fotones: el estado del cúbit determina si el ion emite protones y cuántos protones emite. Un sistema de imágenes recolecta esos fotones y los procesa para revelar la respuesta: 3 y 5.
Superconducting qubit quantum computers do the same thing in a different way: using a chip with electrical circuits instead of an ion trap. The states of each electrical circuit translate to the state of the qubit. They can be manipulated with electrical inputs in the form of microwaves. So: the qubits come from either ions or electrical circuits, acted on by either lasers or microwaves. Each approach has advantages and disadvantages. Ions can be manipulated very precisely, and they last a long time, but as more ions are added to a trap, it becomes increasingly difficult to control each with precision. We can’t currently contain enough ions in a trap to make advanced computations, but one possible solution might be to connect many smaller traps that communicate with each other via photons rather than trying to create one big trap. Superconducting circuits, meanwhile, make operations much faster than trapped ions, and it’s easier to scale up the number of circuits in a computer than the number of ions. But the circuits are also more fragile, and have a shorter overall lifespan.
Las computadoras cuánticas de cúbit superconductores hacen lo mismo de diferente manera usando un chip con circuitos eléctricos en lugar que con una trampa de iones. Los estados de cada circuito eléctrico traducen el estado del cúbit. Pueden ser manipulados con entradas de electricidad en forma de microondas. Así que, los cúbits provienen de iones o circuitos eléctricos, actuando o por láseres o por microondas. Cada enfoque tiene ventajas y desventajas. Los iones pueden ser manipulados de forma muy precisa y permanecen un largo tiempo, pero al añadir más iones a la trampa, cada vez se hace más difícil controlar cada uno con precisión. Aún no podemos contener suficientes iones en una trampa como para hacer cálculos avanzados, pero una posible solución podría ser conectar muchas trampas pequeñas que se comuniquen entre ellas a través de fotones, en lugar de tratar de crear una trampa grande. Los circuitos superconductores hacen que las operaciones sean más rápidas que con iones atrapados y es más fácil aumentar el número de circuitos en una computadora que el número de iones. Pero los circuitos son también más frágiles
And as quantum computers advance, they will still be subject to the environmental constraints needed to preserve quantum states. But in spite of all these obstacles, we’ve already succeeded at making computations in a realm we can’t enter or even observe.
y tienen una vida útil más corta. Y a medida que avancen las computadoras cuánticas seguirán estando sujetas a las restricciones del entorno necesarias para preservar los estados cuánticos Pero a pesar de todos estos obstáculos, ya hemos logrado hacer cálculos