Supremacía cuántica explicada: por qué importa para el futuro de la computación

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 computadoras cuánticas a principios de los 80.

Feynman propuso que las computadoras cuánticas serían efectivas resolviendo problemas de química y física. Las computadoras actuales usan lógica binaria para realizar tareas, pero si utilizamos las reglas de la mecánica cuántica, muchas tareas computacionales complejas se volverán 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. Anuncia la era de tecnologías cuánticas intermedias ruidosas a escala.

En este artículo de revisión, hemos explicado qué diferencia haría la "supremacía cuántica", qué han logrado las empresas tecnológicas hasta ahora, por qué es tan importante. Empecemos 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 una cantidad razonable de tiempo.

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

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

• Muestreo de la salida de circuitos cuánticos aleatorios
• Problemas de bucles de clusters frustrados diseñados por D-Wave
• Propuesta de muestreo de bosones introducida 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 un lanzamiento de cohete, donde solo 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 rápido.
2. Ninguna computadora clásica podría realizar eficientemente el mismo cálculo.

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

La batalla por hacer una computadora cuántica

Ha habido dispositivos cuánticos funcionando por varios años, pero superan a las computadoras clásicas solo bajo ciertas condiciones. La mayoría de 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, usando un chip cuántico de 9 qubits. En 2017, Intel fabricó un chip de prueba superconductor de 17 qubits para computación cuántica, e IBM subió la apuesta con un chip de 50 qubits que podía preservar su estado cuántico por 90 microsegundos.

Chip de prueba superconductor de 17 qubits desarrollado por Intel

En 2018, Google reveló un procesador de 72 qubits llamado Bristlecone, y en 2019, IBM lanzó la primera computadora cuántica comercial basada en circuitos, 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 NASA. La compañía ha enviado subsiguientemente sistemas con 2048 qubits. Sus dispositivos dependen de una técnica alternativa llamada recocido cuántico para resolver problemas muy específicos.

El gran anuncio de Google

De la nada, a finales de 2019, investigadores de Google anunciaron que habían logrado la supremacía cuántica. Desarrollaron un procesador de 54 qubits llamado Sycamore que realizó el cómputo 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 (comparado con algoritmos clásicos) es una realización experimental de la supremacía cuántica para esta tarea particular.

¿Qué hicieron?

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

El programa funcionará correctamente si muestrea apropiadamente de todos los resultados posibles. Esto significa que el programa debería generar cada número del dado 1/6 del tiempo a medida que se ejecuta repetidamente.

En un escenario real, en lugar de colocar un dado, una computadora necesita muestrear apropiadamente de todas las salidas posibles de un circuito cuántico aleatorio. Esta secuencia de acciones se realiza en 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 actúa sobre 54 qubits, causa que los 54 qubits sean una superposición de 2⁵⁴ estados posibles al final del circuito. Esto significa que el conjunto de 2⁵⁴ posibilidades colapsa en una cadena de 54 bits. Es como lanzar un dado, pero en lugar de 6 resultados posibles, obtienes 2⁵⁴ resultados, y no todos son igualmente probables.

La serie de muestras de este circuito aleatorio (siguiendo la distribución adecuada), puede generarse eficientemente en computadoras cuánticas. Sin embargo, no hay ningún algoritmo clásico para producir estas muestras en supercomputadores de vanguardia. Por tanto, a medida que aumenta el número de muestras, las supercomputadoras digitales se abruman rápidamente por los cálculos.

En este experimento, investigadores de Google ejecutaron circuitos simplificados aleatorios de 12 a 53 qubits, manteniendo constante el número de ciclos de compuerta (compuertas lógicas cuánticas). Luego usaron simulaciones clásicas para verificar el rendimiento de la computadora cuántica y lo compararon con un modelo teórico.

Una vez confirmaron que el sistema operaba correctamente, ejecutaron un circuito aleatorio difícil con 53 qubits y aumentaron ciclos de compuerta, hasta alcanzar un punto donde la simulación clásica se volvió inviable.

Proceso para demostrar supremacía cuántica | Crédito: Google

El experimento se realizó en un chip de 54 qubits totalmente programable, Sycamore. Contiene una cuadrícula 2D donde cada qubit conectado a 4 otros qubits, permitiendo suficiente conectividad para estados de qubit (para que interactúen instantáneamente a través del procesador) y haciéndolo inviable realizar los mismos cálculos en computadoras clásicas.

Para lograr este nivel de rendimiento, utilizaron un nuevo tipo de perilla de control que podía apagar interacciones entre qubits cercanos, reduciendo significativamente errores en el sistema multi-conectado de qubits. También desarrollaron nuevas calibraciones de control para evitar defectos de qubits y optimizaron el diseño del chip para reducir crosstalk, 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: Eric Lucero/Google

Aunque Google afirmó haber logrado la supremacía cuántica y que una supercomputadora clásica tardaría unos 10.000 años en realizar la tarea equivalente, IBM disputó esta afirmación, diciendo que una simulación ideal de la misma tarea puede realizarse en una computadora clásica en 2,5 días con mucha mayor fidelidad.

El experimento de Google no debería verse como prueba de que los dispositivos cuánticos son "supremos" sobre computadoras clásicas. Sin embargo, demuestra perfectamente el progreso en computación cuántica basada en superconductores, revelando fidelidades de compuerta de vanguardia en un sistema de 53 qubits.

Los titulares que contienen alguna variación de "supremacía cuántica lograda" son llamativos e interesantes de leer, pero engañan completamente al público general.

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

Controversia del nombre

Algunos científicos no están de acuerdo con el término "supremacía cuántica". Desde 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 "ventaja cuántica" debería usarse en su lugar.

Sin embargo, John Preskill, quien ideó esta frase, aclaró que quería enfatizar que este es un momento privilegiado en la historia cuando las tecnologías de información basadas en leyes cuánticas son ascendentes. También explicó que "supremacía cuántica" captura mejor el punto que quería transmitir. Otras palabras, como "ventaja", carecen del impacto de "supremacía".

Aplicaciones y futuro

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

Actualmente, los científicos trabajan en máquinas cuánticas tolerantes a fallos que podrían corregir errores de computación en tiempo real, permitiendo cálculos cuánticos sin errores. Considerando el estado actual del arte en computación cuántica, este objetivo está a varios años de realizarse.

Las empresas tecnológicas invierten cientos de millones de dólares para desarrollar dispositivos cuánticos tolerantes a fallos lo más rápido posible. Sin embargo, la gran pregunta es si las máquinas cuánticas necesitarán ser tolerantes a fallos antes de poder realizar una tarea útil.

Tales máquinas prometen una variedad de aplicaciones valiosas. Por ejemplo, la computación cuántica podría mejorar la predicción meteorológica, fortalecer la ciberseguridad y ayudar a diseñar nuevos materiales para aviones y baterías ligeras de vehículos. Podría mapear precisamente moléculas individuales, lo que a su vez podría abrir oportunidades para investigación farmacéutica.

También podría tener un fuerte impacto en el sector bancario. La computación cuántica puede manejar problemas financieros relacionados con optimización de estrategia de inversión, que implica analizar un vasto número de combinaciones de cartera para encontrar el mejor criterio o reconocer transacciones fraudulentas.

En la actualidad, es difícil predecir qué industria impactará más la computación cuántica, porque se ha probado en un conjunto muy limitado de tareas. Necesitaremos ser pacientes por algunos años (o incluso décadas) antes de poder apreciar todo el esplendor de la era cuántica.