Aprendiendo a hablar cuántico (lenguaje)

Los físicos de partículas están estudiando formas de aprovechar el poder del reino cuántico para avanzar en su investigación. Crédito de la imagen: Obra de Sandbox Studio, Chicago con Ana Kova Por Laura Dattaro, para Symmetry magazine Febrero 6 de 2018 En una conferencia de 1981, el famoso físico Richard Feynman se preguntó si una computadora podría simular el universo entero. La dificultad con esta tarea es que, en las escalas más pequeñas, el universo opera bajo reglas extrañas: las partículas pueden estar aquí y allá al mismo tiempo; los objetos separados por distancias inmensas pueden influirse mutuamente instantáneamente; el simple acto de observar puede cambiar el resultado de la realidad. "La naturaleza no es clásica, maldición", le dijo Feynman a su audiencia, "y si quieres hacer una simulación de la naturaleza, será mejor que sea mecánica cuántica". Computadoras cuánticas Feynman estaba imaginando una computadora cuántica, una computadora con bits que actuaban como las partículas del mundo cuántico. Hoy, casi 40 años después, tales computadoras comienzan a hacerse realidad y representan una oportunidad única para los físicos de partículas. "Los sistemas con los que trabajamos en física de partículas son intrínsecamente sistemas mecánicos cuánticos", dice Panagiotis Spentzouris, jefe de la División de Computación Científica de Fermilab. "Las computadoras clásicas no pueden simular grandes sistemas cuánticos enredados. Usted tiene muchos problemas que nos gustaría poder resolver con precisión sin hacer aproximaciones que esperamos que podamos hacer en la computadora cuántica ". Las computadoras cuánticas permiten una representación más realista de los procesos cuánticos. Aprovechan un fenómeno conocido como superposición, en el que una partícula como un electrón existe en un estado probabilístico distribuido en múltiples ubicaciones a la vez. A diferencia de un bit informático clásico, que puede estar activado o desactivado, un bit cuántico (o qubit) puede estar activado, desactivado o una superposición de ambos activados y desactivados, lo que permite que los cálculos se realicen simultáneamente en lugar de secuencialmente. Crédito de la imagen: Obra de Sandbox Studio, Chicago con Ana Kova Esto no solo acelera los cálculos; hace posibles actualmente posibles. Un problema que podría atrapar efectivamente a una computadora normal en un ciclo infinito, probando la posibilidad una tras otra, podría resolverse casi instantáneamente con una computadora cuántica. Esta velocidad de procesamiento podría ser clave para los físicos de partículas, que pasan a través de enormes cantidades de datos generados por los detectores. En la primera demostración de este potencial, un equipo de CalTech recientemente utilizó un tipo de computadora cuántica llamada anulador cuántico para "redescubrir" el bosón de Higgs, la partícula que, de acuerdo con el Modelo Estándar de física de partículas, da masa a todos los demás fundamentales partícula. Los científicos descubrieron originalmente el bosón de Higgs en 2012 usando detectores de partículas en el Gran Colisionador de Hadrones en el centro de investigación CERN en Europa. Crearon los bosones de Higgs convirtiendo la energía de las colisiones de partículas temporalmente en materia. Esos bosones de Higgs temporales decayeron rápidamente, convirtiendo su energía en otras partículas más comunes, que los detectores pudieron medir. Los científicos identificaron la masa del bosón de Higgs sumando las masas de esas partículas menos masivas, los productos de descomposición. Pero para hacerlo, tenían que elegir cuáles de esas partículas provenían de la descomposición de los bosones de Higgs, y cuáles provenían de otra cosa. Para un detector, una descomposición del bosón de Higgs puede parecer notablemente similar a otras desintegraciones mucho más comunes. Los científicos de LHC entrenaron un algoritmo de aprendizaje automático para encontrar la señal de Higgs contra el fondo de la descomposición: la aguja en el pajar. Este proceso de capacitación requirió una gran cantidad de datos simulados. La física Maria Spiropulu, que estaba en el equipo que descubrió el Higgs por primera vez, quería ver si podía mejorar el proceso con la computación cuántica. El grupo que dirige en CalTech usó una computadora cuántica de una compañía llamada D-Wave para entrenar un algoritmo similar de aprendizaje automático. Descubrieron que la computadora cuántica capacitaba el algoritmo de aprendizaje automático en una cantidad de datos significativamente menor que la que requería el método clásico. En teoría, esto le daría una ventaja al algoritmo, como dar a alguien que busca la aguja en el entrenamiento de expertos del pajar para detectar el brillo del metal antes de volver la vista hacia el heno. "La máquina no puede aprender fácilmente", dice Spiropulu. "Necesita datos enormes y enormes. En el atemperador cuántico, tenemos una pista de que puede aprender con datos pequeños, y si aprende con datos pequeños, puede usarlo como condiciones iniciales más adelante ". Algunos científicos dicen que puede llevar una década o más llegar al punto de utilizar computadoras cuánticas regularmente en la física de partículas, pero hasta entonces continuarán avanzando para mejorar su investigación. Sensores cuánticos La mecánica cuántica también está alterando otra tecnología utilizada en la física de partículas: el sensor, la parte de un detector de partículas que capta la energía de una interacción de partículas. En el mundo cuántico, la energía es discreta. El nombre cuántico significa "una cantidad específica" y se usa en física para significar "la menor cantidad de energía". Los sensores clásicos generalmente no hacen mediciones lo suficientemente precisas para captar cantidades individuales de energía, pero sí un nuevo tipo de sensor cuántico. "Un sensor cuántico es aquel que puede detectar estos paquetes individuales de energía a medida que llegan", dice Aaron Chou, científico de Fermilab. "Un sensor no cuántico no podría resolver las llegadas individuales de cada uno de estos pequeños paquetes de energía, sino que mediría un flujo total de las cosas". Chou está aprovechando estos sensores cuánticos para investigar la naturaleza de la materia oscura. Usando tecnología desarrollada originalmente para computadoras cuánticas, Chou y su equipo están construyendo detectores ultrasensibles para un tipo de partícula de materia oscura teorizada conocida como axión. "Estamos tomando uno de los diseños de qubit que se creó anteriormente para la computación cuántica y estamos tratando de utilizarlos para detectar la presencia de fotones que provienen de la materia oscura", dice Chou. Para Spiropulu, estas aplicaciones de computadoras cuánticas representan un elegante sistema de retroalimentación en la progresión de la tecnología y la aplicación científica. La investigación básica en física condujo a los transistores iniciales que alimentaron la revolución de la informática, que ahora está a punto de transformar la investigación básica en física. "Quiere interrumpir la informática, que inicialmente era un avance de la física", dice Spiropulu. "Ahora estamos usando configuraciones de física y sistemas físicos para ayudar a la informática a resolver cualquier problema, incluidos los problemas de física". With a little help from Google Translate for Business