El frío mundo del qubit. ¿Porqué las computadoras quánticas necesitan tanto frío?

El frío mundo del qubit. ¿Porqué?

Las computadoras cuánticas tienen que mantenerse a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Para los que no son químicos, el cero absoluto significa 0 Kelvin.

0 Kelvin = -273.15 Celsius = -459.67 Farenheit!

¡ 273 grados centigrados bajo 0 ! , la temperatura más baja registrada en la tierra fue en la Antartica a -98°C. En la tierra no hay sufiente frío para estas computadoras. Aqui va bien la frase que dice "ella es fría y calculadora". Enamorarse de una mujer fría es dificil, hay que soportar tanto frío.

¿Por qué las computadoras cuánticas tienen que ser tan frías?

Las computadoras cuánticas tienen estados cuánticos, que se crean a partir de sus dos estados básicos, que generalmente se consideran "0" y "1". Estos  fueron los únicos estados posibles en una arquitectura de computadora clásica. No es demasiado difícil imaginar que se necesita un poco de energía para cambiar de 0 a 1 o de 1 a 0. De hecho, generalmente 0 y 1 se implementan definiendo voltajes eléctricos, donde un rango se clasifica como 0 y el otro como 1. Entonces, por ejemplo, 0-2 voltios podrían considerarse como "0", mientras que como 5- 7 podrían ser considerado un "1". En ese caso, literalmente necesitamos energía para pasar de un estado a otro.

Volvamos a un caso en el que podamos tener estados cuánticos además de nuestros dos estados básicos. Volviendo a nuestro ejemplo del rango de tensión, necesitamos descubrir cómo podemos definir algún lugar para los estados cuánticos.

La mayoría de las computadoras usan rangos con brechas extremadamente pequeñas entre los rangos para representar los estados cuánticos. Por ejemplo, si tuviéramos tres estados cuánticos contiguos (que llamaremos A, B y C), su voltaje podría ser de 0.5-0.75 V para el estado cuántico A, 0.751-1.01 para el estado cuántico B, y 1.02-1.27 para estado cuántico C, respectivamente. Para empezar, no hay mucho margen de error, y las brechas entre estos suelen ser mucho menores.

Si obtiene una pequeña cantidad de error en sus voltajes, fácilmente podría empujar un qubit del estado cuántico A al estado cuántico B. O de B a C. O de B a A. Por eso necesitamos que nuestras computadoras cuánticas sean tan frías. A temperaturas extremadamente frías, los átomos y las moléculas simplemente se mueven menos. Cuanto más baja es la temperatura, en términos generales, más estable se vuelve una molécula. Menos movimiento significa menos energía expulsada.

A nivel molecular, eso significa que hay menos energía volando alrededor, y en consecuencia (dado que el voltaje y la energía están directamente relacionados) menos volatilidad en el voltaje. 

Eso significa que hay menos posibilidades de que algo fuera del control de un ser humano provoque un pico de voltaje, haciendo que el qubit se mueva de un estado cuántico a otro.

Al mantener la computadora fría, estamos introduciendo menos energía en el sistema y, por lo tanto, minimizando las posibilidades de que los qubits vuelquen incorrectamente entre los estados cuánticos.

 ¿Cómo obtenemos temperaturas tan frías?

El récord de temperatura mas bajo fue establecido por un grupo de investigadores del MIT, que enfriaron una molécula a la mitad de una billonésima de grado por encima del cero absoluto.

Las compañías actuales están manteniendo las computadoras cuánticas unos pocos grados por encima del cero absoluto, por lo que alrededor de -268 C.

D-Wave usa helio líquido como refrigerante para su refrigeración. Los refrigeradores D-Wave son "dilución seca" lo que significa que el helio líquido se encuentra en un "sistema de ciclo cerrado". Utiliza la tecnología de tubo de pulso para reciclar y recondensar el helio líquido.

A medida que las computadoras cuánticas se popularicen, estoy seguro de que la tecnología se volverá más innovadora y más barata.

Mientras tanto, todos los empresarios en ciernes que quieran fabricar una computadora cuántica, van a tener que conseguir mucho frío.



Referencias:
https://medium.com/the-quantum-authority/ice-ice-baby-why-quantum-computers-have-to-be-cold-3a7f777d9728
https://www.quora.com/Why-do-quantum-computers-need-to-be-kept-so-cold
https://www.newscientist.com/article/2130210-nanofridge-could-keep-quantum-computers-cool-enough-to-calculate/
https://www.infobae.com/turismo/2018/07/03/frio-polar-con-98c-la-antartida-batio-el-record-de-la-temperatura-mas-baja-registrada-en-la-tierra/