La computación cuántica es aclamada como una fuerza revolucionaria de la próxima generación de tecnología informática, con la promesa de resolver problemas complejos que las supercomputadoras clásicas no pueden manejar y de lograr avances en áreas como la salud, el descubrimiento de materiales, la optimización de la cadena de suministro y la inteligencia artificial. Investigadores y estudiantes de la Universidad Estatal de Arizona (ASU) están a la vanguardia de la computación cuántica, impulsando esta tecnología del concepto a la aplicación práctica mediante la innovación educativa, la colaboración interdisciplinaria y la investigación de punta.
De la confusión a la emoción: el atractivo de la educación cuántica
En las clases de mecánica cuántica de ASU, la experiencia inicial de los estudiantes suele ser la confusión. Sin embargo, después de unas semanas, esa confusión a menudo se convierte en emoción. El profesor Christian Arenz, un académico de Princeton, señala que, aunque la computación cuántica suena profunda, no está fuera del alcance de nadie. Destaca que, con los métodos de enseñanza adecuados y una actitud positiva, todos pueden dominar los fundamentos de la computación cuántica. Más importante aún, el campo cuántico enfrenta una grave escasez de talento; incluso si los estudiantes no se dedican a trabajar en el ámbito cuántico en el futuro, las habilidades de pensamiento y la alfabetización técnica que cultiva esta experiencia de aprendizaje son inmensamente valiosas.
Por ello, ASU ha construido un sistema completo de educación cuántica, que incluye una serie de cursos, proyectos de investigación y seminarios especializados. Al mismo tiempo, la iniciativa «Quantum Collaborative», liderada por ASU, conecta estrechamente laboratorios nacionales, gigantes de la industria, instituciones académicas y empresas emergentes, brindando a los estudiantes oportunidades para participar directamente en la innovación cuántica y formándolos para convertirse en los futuros científicos e ingenieros cuánticos.
Computación cuántica: colaboración con la computación clásica, no sustitución
Aunque la computación cuántica tiene un potencial enorme, los expertos consideran que no reemplazará a las computadoras clásicas que usamos a diario. Por el contrario, el panorama informático del futuro será un trabajo conjunto entre computadoras cuánticas y clásicas para resolver aquellos problemas que hoy resultan inalcanzables. El interés mundial por la computación cuántica está aumentando rápidamente. Según las proyecciones de McKinsey & Company, para 2035 el mercado de la computación cuántica podría generar ingresos anuales de hasta 72 mil millones de dólares.
ASU aún no posee su propia computadora cuántica, pero esto no ha limitado el avance de sus investigadores. Con el apoyo de la Oficina de Tecnología de Investigación, los investigadores pueden utilizar herramientas de simulación para ejecutar algoritmos cuánticos en la supercomputadora Sol de ASU, así como acceder de forma remota a plataformas cuánticas reales de instituciones como IBM. La supercomputadora Sol tiene un rendimiento aproximadamente 2000 veces superior al de una computadora portátil común y, junto con el software CUDA-Q de Nvidia, proporciona un sólido soporte de cómputo para la investigación cuántica. Además, se ha incorporado una tarjeta aceleradora llamada Vector Engine, dedicada específicamente a la simulación de problemas de optimización cuántica, lo que ofrece una herramienta poderosa para aplicaciones prácticas como la gestión de cadenas de suministro.
Innovación estudiantil: hacer que la tecnología cuántica sea accesibleEn las aulas de ASU, los profesores son hábiles para explicar conceptos abstractos con ejemplos vívidos. Por ejemplo, el profesor Gennaro De Luca utiliza el ejercicio mental de "generar nuevas imágenes de gatos" para ayudar a los estudiantes a comprender los principios básicos de los modelos generativos cuánticos. En teoría, las computadoras cuánticas pueden aprender de menos muestras, y esta ventaja hace que los modelos generativos cuánticos reciban gran atención. Los estudiantes de De Luca, utilizando los recursos proporcionados por la universidad, han llevado a cabo emocionantes proyectos cuánticos: algunos han creado herramientas educativas que simplifican conceptos de aprendizaje automático cuántico, y otros han construido un automóvil robot de Lego controlado por algoritmos de procesamiento de imágenes cuánticas. Estos proyectos no solo profundizan la comprensión de los estudiantes sobre la computación cuántica, sino que también demuestran el potencial de aplicación práctica de la tecnología cuántica.
En el ámbito de la gestión de la cadena de suministro, el equipo de investigación de ASU utilizó recientemente la tarjeta aceleradora Vector Engine para resolver una serie de problemas de optimización relacionados con la logística de transporte, validando inicialmente el valor de la computación cuántica en la programación compleja.
Adentrándose en la computadora cuántica: bits, superposición y entrelazamiento
En las computadoras clásicas, la información se mide en bits, y cada bit representa 0 o 1. En cambio, las computadoras cuánticas utilizan qubits. Debido al efecto de superposición cuántica, un qubit puede estar simultáneamente en los estados 0 y 1. Es como una moneda girando que puede caer tanto de cara como de cruz. Lo que es aún más asombroso es que múltiples qubits también pueden formar un estado entrelazado, en el que están estrechamente correlacionados entre sí. Son precisamente estas propiedades únicas las que permiten a las computadoras cuánticas realizar una gran cantidad de cálculos simultáneamente, logrando así una aceleración exponencial en la resolución de ciertos problemas.
Acelerando el descubrimiento de materiales: de las aleaciones de alta entropía a la energía verde
En la Facultad de Ingeniería y Ciencia de Materiales de ASU, el profesor asociado Houlong Zhuang está utilizando la computación cuántica para acelerar el proceso de descubrimiento de nuevos materiales. El desarrollo tradicional de materiales suele requerir pruebas repetidas y tarda años. La tecnología de simulación cuántica puede acortar significativamente este proceso. La investigación de Zhuang se centra en las aleaciones de alta entropía, materiales que muestran una estabilidad excepcional en condiciones extremas de alta temperatura, alta presión y radiación, y que se utilizan a menudo en sistemas de defensa avanzados como vehículos supersónicos y submarinos nucleares. Mediante estrategias de computación híbrida cuántico-clásica, las simulaciones que antes requerían semanas ahora toman solo unos días, y en el futuro podrían reducirse a unas horas. Su trabajo también se extiende al ámbito del desarrollo sostenible, incluida la búsqueda de materiales para capturar eficientemente dióxido de carbono, resolver los problemas de almacenamiento y transporte de hidrógeno, y desarrollar nuevos semiconductores solares. La destacada investigación de Zhuang le ha valido el Premio CAREER de 537 000 dólares otorgado por la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos (NSF).
Superando los desafíos técnicos: haciendo la computación cuántica más práctica
El desarrollo de la computación cuántica todavía enfrenta numerosos desafíos técnicos. La fragilidad de los sistemas cuánticos los hace susceptibles a la interferencia del ruido: tanto las pequeñas vibraciones del hardware, las fluctuaciones de temperatura como los rayos cósmicos pueden provocar errores de cálculo. El profesor Christian Arenz está dedicado a la investigación sobre la supresión y mitigación del ruido para mejorar la fiabilidad de las computadoras cuánticas.Además, muchos procesadores cuánticos deben enfriarse a temperaturas más bajas que las del espacio exterior para funcionar, lo que conlleva un enorme costo y consumo de energía. En la Escuela de Ciencias Moleculares de ASU, la decana Tijana Rajh apoya firmemente al profesor Justin Earley y a otros en la exploración de qubits basados en moléculas. Se espera que los qubits moleculares puedan funcionar en condiciones más suaves, reduciendo así el umbral de la computación cuántica. Earley cree que solo liberándose del entorno de temperatura ultrabaja la tecnología cuántica podrá realmente popularizarse. También mencionó en particular que los sensores cuánticos tienen amplias perspectivas en el campo del diagnóstico médico, y que en el futuro podrían lograr la detección ultra temprana de enfermedades.
Formación de la fuerza laboral cuántica: de la secundaria al doctorado
La investigación cuántica de ASU no se limita al laboratorio, sino que se extiende a cada etapa de la formación de talentos. Desde estudiantes de secundaria hasta estudiantes de doctorado, los investigadores colaboran estrechamente con los estudiantes, ayudándoles a superar sus temores iniciales y a participar activamente en la exploración de la tecnología cuántica. El profesor Justin Earley es uno de ellos; guía a estudiantes de diversos orígenes para impulsar conjuntamente la tecnología cuántica desde el laboratorio hacia aplicaciones industriales reales.
En la ola de la computación cuántica, ASU está formando un flujo constante de talentos para la revolución cuántica global, con la educación como piedra angular, la investigación como motor y la colaboración como puente. Este verano, los científicos de ASU se encuentran en la vanguardia cuántica, escribiendo con sabiduría y esfuerzo un nuevo capítulo en la era cuántica.