¿Qué es la supremacía cuántica?
El concepto de sistema cuántico fue propuesto por primera vez por el matemático ruso Yuri Manin en 1980. Sin embargo, fue Richard Feynman quien concibió la posibilidad de crear ordenadores cuánticos a principios de los años 1980.
Feynman propuso la idea de que las computadoras cuánticas serían efectivas para resolver problemas de química y física. Las computadoras modernas usan lógica binaria para realizar tareas, pero si usamos las reglas de la mecánica cuántica, muchos problemas computacionales complejos se vuelven factibles.
En 2012, el físico teórico estadounidense John Preskill acuñó el término “supremacía cuántica” para describir un sistema significativamente superior a las computadoras clásicas. Anuncia la era de los ruidosos dispositivos cuánticos de escala intermedia (NISO).
En este artículo general, explicaremos qué significará la supremacía cuántica, qué han logrado las empresas de tecnología hasta ahora y por qué es tan importante. Empecemos con lo básico.
Tabla de Contenidos
¿Qué es la supremacía cuántica?
La supremacía cuántica es el objetivo de crear un sistema de computación cuántica que pueda resolver un problema que ninguna computadora clásica puede resolver en un tiempo razonable.
Esto incluye los desafíos de ingeniería que supone desarrollar una potente máquina cuántica, así como el desafío teórico computacional de clasificar los problemas computacionales que pueden resolverse utilizando esa computadora cuántica.
La supremacía cuántica es un paso importante hacia una informática más potente y útil. Se han hecho varias propuestas para demostrar la supremacía cuántica. Los más notables de ellos son:
- Muestreo de la salida de circuitos cuánticos aleatorios.
- Problemas de clústeres insatisfechos por D-Wave
- Propuesta de muestreo de bosones hecha por Aaronson y Arkhipov
¿Cómo decimos que estamos seguros de que se ha logrado la supremacía cuántica?
Verificar la supremacía cuántica es una de las tareas más difíciles. No es como una explosión nuclear o el lanzamiento de un cohete, donde simplemente observas y sabes inmediatamente si tuvo éxito.
Debes demostrar dos cosas precisamente para verificar la supremacía cuántica:
- El dispositivo cuántico realiza cálculos rápidamente.
- Ninguna computadora clásica puede realizar los mismos cálculos de manera eficiente.
La segunda parte es bastante difícil. Resulta que las computadoras clásicas pueden realizar ciertos tipos de tareas de manera muy eficiente (mejor de lo que esperaban los científicos). Hasta que se demuestre que una computadora clásica no puede realizar una tarea particular de manera eficiente, siempre existe la posibilidad de que exista un algoritmo clásico mejor y más eficiente. Demostrar que no existe un algoritmo tan clásico puede resultar controvertido y llevar mucho tiempo.
La batalla para crear una computadora cuántica
Los dispositivos cuánticos en funcionamiento existen desde hace varios años, pero sólo superan en rendimiento a los ordenadores clásicos bajo determinadas condiciones. La mayoría de las tareas que realizan estas máquinas cuánticas ni siquiera se utilizan en la vida cotidiana.
En 2016, Google desarrolló una simulación cuántica totalmente escalable de la molécula de hidrógeno utilizando un chip cuántico de 9 qubits. En 2017, Intel fabricó un chip de prueba superconductor de 17 qubits para la computación cuántica, e IBM subió la apuesta con un chip de 50 qubits que podía retener su estado cuántico durante 90 microsegundos.
En 2018, Google presentó un procesador de 72 qubits llamado Bristlecone, y en 2019, IBM lanzó la primera computadora cuántica comercial basada en circuitos del mundo, la IBM Q System One.
D-Wave Systems, una empresa canadiense de computación cuántica bien financiada, sigue siendo una excepción. En 2015, el Laboratorio de Inteligencia Artificial Cuántica de la NASA instaló una computadora cuántica 2x con más de 1000 bits cuánticos. La empresa suministró sistemas con 2048 qubits. Sus dispositivos utilizan una técnica alternativa llamada recocido cuántico para resolver problemas muy específicos.
De manera bastante inesperada, a finales de 2019, los investigadores de Google anunciaron que habían alcanzado la supremacía cuántica. Desarrollaron un procesador Sycamore de 54 qubits que completó un cálculo objetivo (un cálculo de muestra aleatoria) en 200 segundos.
Según el equipo de investigación, un superordenador clásico tardaría 10.000 años en realizar los mismos cálculos. Este aumento significativo de la velocidad (en comparación con los algoritmos clásicos) es una realización experimental de la supremacía cuántica para este problema específico.
¿Que hicieron?
Para demostrar la supremacía cuántica, Google decidió resolver un problema específico llamado «muestreo de circuito aleatorio». Un ejemplo sencillo de un problema de muestreo aleatorio es un programa que simula el lanzamiento de un dado justo.
El programa funcionará con precisión si selecciona correctamente todos los resultados posibles. Esto significa que el programa debe generar cada número de la matriz en 1/6 del tiempo desde que se ejecuta varias veces.
En un escenario de la vida real, en lugar de colocar un cristal, la computadora debe seleccionar correctamente todas las salidas posibles de un circuito cuántico aleatorio. Esta secuencia de acciones se realiza sobre un montón de qubits. Cuando los qubits pasan por un circuito, su estado se entrelaza (también conocido como superposición cuántica).
Por ejemplo, cuando un circuito opera con 54 qubits, el resultado es que los 54 qubits son una superposición de los 254 estados posibles al final del circuito. Esto significa que el conjunto de 2 54 posibilidades se colapsa en una única cadena de 54 bits. Es como tirar un dado, pero en lugar de 6 resultados posibles, obtienes 2 54 resultados, y no todos con la misma probabilidad.
Una serie de muestras de este patrón aleatorio (después de una distribución adecuada) se pueden generar de manera eficiente en computadoras cuánticas. Sin embargo, no existe un algoritmo clásico para crear estas muestras en supercomputadoras de nueva generación. Así, a medida que aumenta el número de muestras, las supercomputadoras digitales rápidamente se sobrecargan con cálculos.
En este experimento, los investigadores de Google ejecutaron circuitos simplificados aleatorios de 12 a 53 qubits manteniendo constante el número de ciclos de puerta (puerta lógica cuántica). Luego utilizaron simulaciones clásicas para probar el rendimiento del ordenador cuántico y lo compararon con un modelo teórico.
Una vez que confirmaron que el sistema funcionaba correctamente, ejecutaron un circuito duro aleatorio con 53 qubits y aumentaron los ciclos de puerta hasta llegar a un punto en el que la simulación clásica ya no funcionaba.
El experimento se llevó a cabo en un chip Sycamore de 54 qubit totalmente programable. Contiene una cuadrícula 2D donde cada qubit está conectado a otros 4 qubits, lo que proporciona suficiente acoplamiento para los estados de los qubits (de modo que se comunican instantáneamente en todo el procesador) y hace imposible realizar los mismos cálculos en computadoras clásicas.
Para lograr este nivel de rendimiento, utilizaron un nuevo tipo de perilla de control que podía desactivar las interacciones entre qubits vecinos, reduciendo en gran medida los errores en el sistema de qubits multiconectados. También desarrollaron nuevas calibraciones de control para evitar defectos de qubit y optimizaron el diseño del chip para reducir la diafonía, mejorando aún más el rendimiento del chip cuántico.
¿Google realmente ha logrado la supremacía cuántica?
Aunque Google afirmó que había alcanzado la supremacía cuántica y que a una supercomputadora clásica le llevaría unos 10.000 años realizar una tarea equivalente, IBM cuestionó esta afirmación, diciendo que una simulación perfecta de la misma tarea podría completarse en una computadora clásica en 2,5 días. con mucha más precisión.
El experimento de Google no debe tomarse como prueba de que los dispositivos cuánticos son «superiores» a los ordenadores clásicos. Sin embargo, demuestra maravillosamente el progreso en la computación cuántica basada en superconductores, demostrando una fidelidad de última generación en un sistema de 53 qubits.
Los titulares que contienen alguna variación de «supremacía cuántica lograda» son llamativos e interesantes de leer, pero son completamente engañosos para el público en general.
Según la definición de supremacía cuántica, el objetivo no se ha logrado. E incluso si alguien lo demuestra en un futuro próximo, los ordenadores cuánticos nunca reinarán «por encima» de los ordenadores clásicos. En cambio, los sistemas cuánticos funcionarán codo a codo con las supercomputadoras clásicas, ya que cada una tiene sus propias fortalezas y ventajas únicas.
Aplicación y futuro
Los avances recientes en la computación cuántica han inspirado a una generación de informáticos y físicos a cambiar fundamentalmente la tecnología de la información.
Actualmente, los científicos están trabajando en máquinas cuánticas tolerantes a fallos que podrán corregir errores computacionales en tiempo real, permitiendo una computación cuántica sin errores. Dada la situación actual de la computación cuántica, aún faltan varios años para que se alcance este objetivo.
Las empresas de tecnología están invirtiendo cientos de millones de dólares para desarrollar dispositivos cuánticos tolerantes a fallos en el menor tiempo posible. Sin embargo, la gran pregunta es si las máquinas cuánticas deben ser tolerantes a fallos antes de poder realizar una tarea útil.
Estas máquinas prometen muchas aplicaciones valiosas. Por ejemplo, la computación cuántica podría mejorar el pronóstico del tiempo, fortalecer la ciberseguridad y ayudar a desarrollar nuevos materiales para baterías de aviones y vehículos livianos. Pueden obtener imágenes precisas de moléculas individuales, lo que a su vez podría abrir oportunidades para la investigación farmacéutica.
Esto también podría tener un impacto importante en el sector bancario. La computación cuántica puede abordar cuestiones financieras relacionadas con la optimización de la estrategia de inversión, lo que implica analizar una gran cantidad de combinaciones de carteras para determinar los criterios más adecuados o reconocer transacciones fraudulentas.
En la actualidad, es difícil predecir qué industria de la computación cuántica tendrá el mayor impacto, ya que ha sido probada en un conjunto muy limitado de problemas. Tendremos que ser pacientes durante varios años (o incluso décadas) antes de que podamos apreciar toda la gloria de la era cuántica.
