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14 de Diciembre de 2020
Computación cuántica

En China unos físicos desafían la «ventaja cuántica» de Google

Un computador cuántico que actúa con fotones realiza un cálculo inasequible para los ordenadores corrientes.

Este computador fotónico, llamado Jiuzhang (el nombre de un tratado de matemáticas chino que, en su forma final, tiene casi 2000 años), realizó en 200 segundos un cálculo que un superordenador ordinario solo podría llevar a cabo en 2500 millones de años. Parece, pues, que ha logrado lo que ya prometía una versión más limitada hace un año: exhibir «ventaja cuántica» [Hansen Zhong].

Un equipo de China afirma que ha logrado la primera demostración inequívoca de la «ventaja cuántica». Ha sacado partido de la poco intuitiva naturaleza de la mecánica cuántica para efectuar cálculos que serían prohibitivamente lentos en un ordenador clásico.

Es un cálculo del que se ha demostrado matemáticamente que resultaría imposible desde un punto de vista práctico en un ordenador normal. El equipo consiguió en unos minutos lo que a uno de los mejores supercomputadores actuales le llevaría la mitad de la edad de la Tierra. Al contrario que la primera demostración de la ventaja cuántica, anunciada por Google el año pasado, esta versión es a todos los efectos inasequible para un ordenador clásico cualquiera. Los resultados aparecieron en Science el 3 de diciembre.

«Hemos demostrado que se pueden usar los fotones, la unidad fundamental de la luz, para exhibir la potencia computacional cuántica mucho más allá de donde llega su análoga clásica», dice Jian-Wei Pan, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Hefei. Añade que el cálculo que realizaron, el llamado problema del muestreo de bosones, no es solo un vehículo oportuno para demostrar la ventaja cuántica, sino que tiene aplicaciones prácticas en la teoría de grafos, en química cuántica y en aprendizaje automático.

«Es ciertamente un tour de force como experimento, y un hito importante», según el físico Ian Walmsley, del Colegio Imperial de Londres.

El reto de la ventaja cuántica

Equipos tanto de laboratorios académicos como empresariales vienen pujando por exhibir la ventaja cuántica (expresión que en buena medida ha reemplazado a la que se usaba antes, «supremacía cuántica»).

El año pasado, unos investigadores del laboratorio de computación cuántica de Google, en Santa Bárbara, California, publicaron la primera exhibición de ventaja cuántica. Utilizaron su dispositivo más avanzado, Sycamore, que tiene 53 bits cuánticos realizados con circuitos superconductores que se mantienen a temperaturas ultrafrías.

Pero algunos investigadores cuánticos pusieron en entredicho la aseveración; sostenían que podría haber un algoritmo clásico mejor, capaz de superar al cuántico. Y unos investigadores de IBM sostuvieron que sus superordenadores clásicos podrían ya, en principio, ejecutar algoritmos existentes para hacer el mismo cálculo en unos 2,5 días.

Para exhibir de forma convincente la ventaja cuántica tendría que ser improbable que para la tarea de que se tratase se pudiera encontrar alguna vez un método clásico considerablemente más rápido.

El equipo de Hefei, dirigido por Pan y Chao-Yang Lu, escogió un problema diferente para su demostración, el llamado muestreo de bosones. Lo concibieron en 2011 dos científicos de la computación, Scott Aaronson y Alex Arkhipov, por entonces en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, en Cambridge. Consiste en calcular la distribución de  probabilidad de muchos bosones (categoría de partículas fundamentales a la que pertenecen los fotones) cuyas ondas cuánticas interfieren entre sí de una forma que, en esencia, aleatoriza la posición de las partículas. La probabilidad de detectar un bosón en una posición dada se puede calcular con una ecuación de muchas variables incógnitas.

200 segundos

Pero en este caso el cálculo es un «problema de dificultad #P», un tipo de dificultad aún mayor que la de los problemas de dificultad NP, bien arduos ya de por sí, donde el número de soluciones crece exponencialmente con el número de variables. Aaronson y Arkhipov demostraron que con muchas decenas de bosones no hay un atajo clásico para acortar el cálculo imposiblemente largo.

Un ordenador cuántico, sin embargo, se puede librar de recurrir a la fuerza bruta en el cálculo porque puede simular el proceso cuántico directamente: dejar que los bosones interfieran y muestrear la distribución resultante. Para ello, Pan y sus colaboradores optaron por formar sus qubits con fotones. Llevaron a cabo la tarea con un computador cuántico fotónico que funcionaba a temperatura ambiente.

Su método [del que hubo un adelanto hace un año] se basa en pulsos de láser. Los investigadores codificaban la información en la posición espacial y la polarización (la orientación de los campos electromagnéticos de los fotones) de estados fotónicos particulares. Juntaban entonces esos estados para que interfiriesen entre sí y generasen una distribución fotónica que representara el resultado del cálculo. El equipo se valió de fotodetectores que registran fotones sueltos para medir esa distribución, en la que quedan codificados los cálculos que tan difíciles son de efectuar clásicamente.

De esta forma, Pan y sus colaboradores pudieron hallar soluciones del problema del muestreo de bosones en 200 segundos. Calculan que el superordenador chino TaihuLight tardaría 2500 millones de años en resolver la tarea: una ventaja cuántica de 1014.

Problemas prácticos

«Esta es la primera vez que se ha exhibido la ventaja cuántica por medio de luz o fotónica», dice Christian Weedbrock, ejecutivo principal de Xanadu, una nueva empresa de computación cuántica, con sede en Toronto, Canadá, que persigue la construcción de ordenadores cuánticos prácticos por medio de la fotónica.

Según Walmsley, este anuncio de ventaja cuántica es convincente. «Como [el experimento] se ciñe mucho al esquema original de Aaronson-Arkhipov, es improbable que se pueda dar con un algoritmo clásico mejor», dice.

No obstante, Weedbrock apunta que por ahora el circuito fotónico de Google no es programable, mientras que el Sycamore de Google sí lo es, así que en estos momentos «no vale para resolver problemas prácticos».

Pero añade que si el grupo consigue construir un chip programable de eficacia suficiente, se podrían resolver varios problemas computacionales importantes; entre ellos, dice Lu, el de predecir cómo se acoplan unas proteínas con otras y el de cómo vibran las moléculas.

Weedbrock señala que la computación cuántica fotónica empezó más tarde que otros métodos, y sin embargo es posible que ahora «salte por encima de los demás». En cualquier caso, añade, «es solo cuestión de tiempo que los ordenadores cuánticos dejen tirados a los clásicos».

Philip Ball / Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Referencia: «Quantum computational advantage using photons», de Han-Sen Zhong et al., en Science, 3 de diciembre de 2020: eabe8770.

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