¿Qué es la supremacía cuántica? ¿Y por qué es importante?

El concepto de sistemas cuánticos fue propuesto por primera vez por un matemático ruso, Yuri Manin, en 1980. Sin embargo, fue Richard Feynman quien concibió la posibilidad de las computadoras cuánticas a principios de la década de 1980.

Feynmann propuso que las computadoras cuánticas serían efectivas para resolver problemas de química y física. Las computadoras de hoy usan lógica binaria para realizar tareas, pero si utilizamos las reglas de la mecánica cuántica, muchas tareas computacionales complejas serán factibles.

En 2012, un físico teórico estadounidense, John Preskill, acuñó el término "supremacía cuántica" para describir un sistema mucho más avanzado que las computadoras clásicas. Presagia la era de las ruidosas tecnologías cuánticas de escala intermedia.

En este artículo de descripción general, hemos explicado y qué diferencia haría la “supremacía cuántica”, qué han logrado las empresas de tecnología hasta ahora, por qué es tan importante. Comencemos con lo básico.

¿Qué es exactamente la supremacía cuántica?

La supremacía cuántica es el objetivo de construir un sistema de computación cuántica que pueda resolver un problema que ninguna computadora clásica puede resolver en un período de tiempo razonable.

Esto implica la tarea de ingeniería para desarrollar una poderosa máquina cuántica, así como la tarea de la teoría de la complejidad computacional para clasificar los problemas computacionales que pueden ser resueltos por esa computadora cuántica.

La supremacía cuántica es un paso importante en el camino hacia cálculos más potentes y útiles. Se han hecho varias propuestas para demostrar la supremacía cuántica. Los más notables son:

• Muestreo de la salida de circuitos cuánticos aleatorios
• Problemas de bucle de clúster frustrados diseñados por D-Wave
• Propuesta de muestreo de bosones presentada por Aaronson y Arkhipov

¿Cómo sabremos con certeza que se ha logrado la supremacía cuántica?

Verificar la supremacía cuántica es una de las tareas más complicadas. No es como una explosión nuclear o el lanzamiento de un cohete, donde simplemente miras y sabes instantáneamente si tuvo éxito.

Tienes que demostrar con precisión dos cosas para verificar la supremacía cuántica:

1. El dispositivo cuántico realiza cálculos rápidamente.
2. Ninguna computadora clásica podría realizar el mismo cálculo de manera eficiente.

La segunda parte es bastante complicada. Resulta que las computadoras clásicas pueden realizar tipos específicos de problemas de manera muy eficiente (mejor que las expectativas de los científicos). Hasta que se haya demostrado que una computadora clásica no puede realizar una tarea en particular de manera efectiva, siempre existe la posibilidad de que exista un algoritmo clásico mejor y más eficiente. Demostrar que no existe tal algoritmo clásico podría ser controvertido y podría llevar mucho tiempo.

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La batalla de hacer una computadora cuántica

Ha habido dispositivos cuánticos en funcionamiento durante varios años, pero superan a las computadoras clásicas solo bajo ciertas condiciones. La mayoría de las tareas realizadas por estas máquinas cuánticas ni siquiera son útiles en la vida cotidiana.

En 2016, Google desarrolló una simulación cuántica totalmente escalable de una molécula de hidrógeno, utilizando un chip cuántico de 9 qubit. En 2017, Intel fabricó un chip de prueba superconductor de 17 qubit para la computación cuántica, e IBM elevó el listón con un chip de 50 qubit que podría preservar su estado cuántico durante 90 microsegundos.

Chip de prueba superconductor de 17 qubit desarrollado por Intel

En 2018, Google reveló un procesador de 72 qubit llamado Bristlecone, y en 2019, IBM lanzó la primera computadora cuántica comercial basada en circuitos del mundo, IBM Q System One.

D-Wave Systems, una empresa canadiense de computación cuántica bien financiada, sigue siendo una excepción. En 2015, su computadora cuántica 2X con más de 1000 qubits se instaló en el laboratorio de inteligencia artificial cuántica de la NASA. La compañía ha enviado posteriormente sistemas con 2048 qubits. Sus dispositivos se basan en una técnica alternativa llamada recocido cuántico para resolver problemas muy específicos.

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Gran anuncio de Google

De la nada, a fines de 2019, los investigadores de Google anunciaron que habían logrado la supremacía cuántica. Desarrollaron un procesador de 54 qubit llamado Sycamore que realizaba el cálculo objetivo (un cálculo de muestreo aleatorio) en 200 segundos.

Según el equipo de investigación, una supercomputadora clásica tardaría 10.000 años en realizar los mismos cálculos. Este aumento sustancial de velocidad (en comparación con los algoritmos clásicos) es una realización experimental de la supremacía cuántica para esta tarea en particular.

¿Qué hicieron?

Para demostrar la supremacía cuántica, Google decidió resolver un problema particular llamado "muestreo de circuito aleatorio". Un ejemplo simple de este problema es un programa para simular la tirada de un dado justo.

El programa se ejecutará con precisión si muestra adecuadamente todos los resultados posibles. Esto significa que el programa debe generar cada número en el dado 1/6 de las veces, ya que se ejecuta repetidamente.

En un escenario real, en lugar de colocar un dado, una computadora necesita muestrear adecuadamente todas las salidas posibles de un circuito cuántico aleatorio. Esta secuencia de acciones se realiza en varios qubits. Cuando los qubits pasan por un circuito, su estado se enreda (también conocido como superposición cuántica).

Por ejemplo, cuando un circuito actúa sobre 54 qubits, hace que 54 qubits sea una superposición de 2 ⁵⁴ posibles estados al final del circuito. Esto significa el conjunto de 2 ⁵⁴ posibilidades se colapsa en una cadena de 54 bits. Es como lanzar un dado, pero en lugar de 6 resultados posibles, obtienes 2 ⁵⁴ resultados, y no todos tienen la misma probabilidad de ocurrir.

La serie de muestras de este circuito aleatorio (siguiendo la distribución adecuada) se puede generar de manera eficiente en computadoras cuánticas. Sin embargo, no existe ningún algoritmo clásico para producir estas muestras en supercomputadoras de última generación. Por lo tanto, a medida que aumenta el número de muestras, los cálculos superan rápidamente a las supercomputadoras digitales.

En este experimento, los investigadores de Google ejecutaron circuitos simplificados aleatorios de 12 a 53 qubits, manteniendo constante el número de ciclos de puerta (puertas de lógica cuántica). Luego utilizaron simulaciones clásicas para verificar el rendimiento de la computadora cuántica y lo compararon con un modelo teórico.

Una vez que confirmaron que el sistema está funcionando correctamente, ejecutaron un circuito duro aleatorio con 53 qubits y ciclos de puerta aumentados, hasta que llegaron a un punto en el que la simulación clásica se volvió inviable.

Proceso para demostrar la supremacía cuántica | Crédito:Google

El experimento se realizó en un chip de 54 qubit completamente programable, Sycamore. Contiene una cuadrícula 2D donde cada qubit se adjunta a otros 4 qubits, lo que permite suficiente conectividad para los estados de qubit (para que interactúen instantáneamente en todo el procesador) y hace inviable realizar los mismos cálculos en computadoras clásicas.

Para lograr este nivel de rendimiento, utilizaron un nuevo tipo de perilla de control que podría apagar las interacciones entre qubits cercanos, reduciendo significativamente los errores en el sistema de qubits multiconectado. También desarrollaron nuevas calibraciones de control para evitar defectos de qubit y optimizaron el diseño del chip para reducir la diafonía, lo que mejoró aún más el rendimiento del chip cuántico.

¿Google realmente logró la supremacía cuántica?

El chip Sycamore de Google se mantiene frío dentro del criostato cuántico. Crédito de la imagen:Eric Lucero / Google

Aunque Google afirmó que había alcanzado la supremacía cuántica y que una supercomputadora clásica tardaría unos 10.000 años en realizar la tarea equivalente, IBM impugnó esta afirmación, diciendo que una simulación ideal de la misma tarea se puede realizar en una computadora clásica en 2,5 días con mucho tiempo. mayor fidelidad.

El experimento de Google no debe considerarse una prueba de que los dispositivos cuánticos son "supremos" sobre las computadoras clásicas. Sin embargo, demuestra perfectamente el progreso en la computación cuántica basada en superconductores, revelando fidelidades de puerta 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 engañan por completo al público en general.

Según la definición de supremacía cuántica, el objetivo no se ha cumplido. E incluso si alguien lo demuestra en un futuro cercano, las computadoras cuánticas nunca reinarán "supremas" sobre las computadoras clásicas. En cambio, los sistemas cuánticos funcionarán junto con las supercomputadoras clásicas, ya que cada una tiene sus fortalezas y beneficios únicos.

Controversia sobre nombres

Algunos científicos no están de acuerdo con el término 'supremacía cuántica'. Según su perspectiva, la palabra 'supremacía' tiene connotaciones de violencia, neocolonialismo y racismo a través de su asociación con 'supremacía blanca'. Han sugerido que la frase alternativa 'cuántica Advantage 'debería utilizarse en su lugar.

Sin embargo, John Preskill, a quien se le ocurrió esta frase, aclaró que quería enfatizar que este es un momento privilegiado en la historia en el que las tecnologías de la información basadas en leyes cuánticas están en auge. También explicó que la "supremacía cuántica" capturaba mejor el punto que quería transmitir. Otras palabras, como "ventaja", carecen de la fuerza de "supremacía".

Aplicaciones y futuro

Los avances recientes en la computación cuántica han inspirado a toda una nueva generación de científicos y físicos informáticos a cambiar fundamentalmente el aspecto de la tecnología de la información.

Actualmente, los científicos están trabajando en máquinas cuánticas tolerantes a fallas que podrían corregir errores de cálculo en tiempo real, permitiendo cálculos cuánticos sin errores. Teniendo en cuenta el estado actual de la técnica en computación cuántica, este objetivo está a varios años de realizarse.

Las empresas de tecnología están invirtiendo cientos de millones de dólares para desarrollar dispositivos cuánticos tolerantes a fallas lo más rápido posible. Sin embargo, la gran pregunta es si las máquinas cuánticas necesitarán ser tolerantes a fallas antes de que puedan realizar una tarea útil.

Estas máquinas prometen una variedad de aplicaciones valiosas. Por ejemplo, la computación cuántica podría mejorar la previsión meteorológica, fortalecer la ciberseguridad y ayudar a diseñar nuevo material para aviones y baterías ligeras de vehículos. Podría mapear con precisión moléculas individuales, lo que a su vez, podría abrir oportunidades para la investigación farmacéutica.

También podría tener un fuerte impacto en el sector bancario. La computación cuántica puede manejar problemas financieros relacionados con la optimización de la estrategia de inversión, lo que implica analizar una gran cantidad de combinaciones de cartera para determinar los criterios que mejor se ajustan o reconocer transacciones fraudulentas.

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En la actualidad, es difícil predecir qué industria de la computación cuántica tendrá un mayor impacto, porque se ha probado en un conjunto muy limitado de tareas. Tendremos que ser pacientes durante algunos años (o incluso décadas) antes de que podamos apreciar todo el esplendor de la era cuántica.