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25 de Octubre de 2019
Computación cuántica

Google asegura haber alcanzado la supremacía cuántica

Su ordenador cuántico habría sido el primero en llevar a cabo un cálculo inabordable en la práctica para una máquina clásica.

El procesador Sycamore consta de 54 qubits formados por circuitos superconductores. Google afirma haberlo usado para solucionar un problema imposible de resolver en la práctica con un ordenador clásico, logrando demostrar así la supremacía cuántica. [Google/Erik Lucero]

Los científicos de Google afirman haber logrado la supremacía cuántica, un hito muy esperado en la computación cuántica. El anuncio, publicado en la revista Nature el 23 de octubre, llega después de que hace cinco semanas se filtrara una versión preliminar del artículo, hecho sobre el que Google no realizó ningún comentario.

En una primicia mundial, un equipo dirigido por John Martinis, físico experimental de la Universidad de California en Santa Bárbara y de Google en Mountain View, California, afirma que su ordenador cuántico ha efectuado un determinado cálculo que se encuentra más allá de las capacidades prácticas de las máquinas «clásicas» convencionales. Google estima que el superordenador clásico más potente tardaría más de 10.000 años en completar ese mismo cálculo.

La supremacía cuántica se considera un hito desde hace tiempo porque constituye la prueba de que los ordenadores cuánticos pueden superar a los clásicos, explica Martinis. Aunque su equipo solo ha demostrado esa ventaja en un caso muy concreto, eso confirma que la mecánica cuántica funciona según lo esperado al emplearla en un problema complejo.

«Parece que Google ha presentado la primera prueba experimental de que es posible lograr una ventaja cuántica en un sistema real», señala Michelle Simmons, física cuántica de la Universidad de Nueva Gales del Sur, en Sídney, Australia.

Martinis compara el experimento al típico programa «hola mundo», que pone a prueba un nuevo sistema pidiéndole que imprima esa frase: no es especialmente útil en sí mismo, pero sirve para que Google constate que los componentes y algoritmos cuánticos funcionan correctamente.

La hazaña salió a la luz por primera vez en septiembre en el Financial Times y otros medios, tras filtrarse una versión preliminar del artículo en el sitio web de la NASA (agencia que colabora con Google en temas de computación cuántica), que fue eliminada rápidamente. En ese momento, la compañía no confirmó que hubiera escrito el artículo, ni hizo comentario alguno al respecto.

Aunque el cálculo que eligió Google —verificar la salida de un generador cuántico de números aleatorios tiene escasas aplicaciones prácticas, «se trata de un enorme logro científico, suponiendo que se confirme, y me imagino que lo hará», asevera Scott Aaronson, informático teórico de la Universidad de Texas en Austin.

Algunos investigadores ajenos a Google ya están tratando de mejorar los algoritmos clásicos empleados para abordar el problema, con la esperanza de reducir esos 10.000 años que ha estimado la compañía. IBM, rival de Google en la construcción de ordenadores cuánticos, notificó el 21 de octubre (mediante un artículo disponible en el repositorio arXiv y que no se ha sometido aún a un proceso de revisión por pares) que el problema podía resolverse en tan solo dos días y medio empleando una técnica clásica diferente.

Si IBM está en lo cierto, eso reduciría la hazaña de Google a haber demostrado una «ventaja» cuántica: realizar un cálculo mucho más rápido que un ordenador clásico, pero no uno que esté fuera de su alcance. Aun así, seguiría siendo un hito importante, valora Simmons. «Hasta donde yo sé, es la primera vez que alguien lo demuestra, así que no hay duda de que es un gran resultado.»

Soluciones rápidas

Los ordenadores cuánticos funcionan de un modo esencialmente diferente a las máquinas clásicas: un bit clásico es un 1 o un 0, pero un bit cuántico, o qubit, puede existir en una superposición de esos dos estados. Cuando los qubits están conectados de manera inextricable (mediante lo que se conoce como entrelazamiento cuántico), los físicos pueden, en teoría, explotar la interferencia entre sus estados cuánticos para realizar cálculos que de otro modo podrían llevar millones de años.

Los físicos piensan que los ordenadores cuánticos podrían llegar a ejecutar algoritmos revolucionarios capaces de, por ejemplo, escudriñar bases de datos poco manejables o factorizar números enormes, incluidos los que se utilizan en criptografía. Pero aún faltan décadas para esas aplicaciones. Cuantos más qubits estén conectados, más difícil es conservar sus frágiles estados mientras funciona el dispositivo. El algoritmo de Google se ejecuta en un procesador cuántico compuesto por 54 qubits, cada uno de ellos formado por circuitos superconductores. Pero eso solo representa una pequeña fracción del millón de qubits que podría requerir una máquina de uso general.

La tarea que Google eligió para su ordenador cuántico es «un tanto extraña», afirma Christopher Monroe, físico de la Universidad de Maryland en College Park. Los físicos de Google diseñaron el problema en 2016, con la idea de que fuese extremadamente difícil de resolver para un ordenador común. El equipo desafió a su ordenador, conocido como Sycamore, a describir la probabilidad de los distintos resultados de un generador cuántico de números aleatorios. 

Para hacerlo, implementaron un circuito que somete a 53 qubits a una serie de operaciones aleatorias. Eso genera una cadena de 53 dígitos (unos y ceros), con un total de 253 combinaciones posibles (solo se usaron 53 qubits porque uno de los 54 de Sycamore estaba estropeado). El proceso es tan complejo que es imposible calcular el resultado a partir de primeros principios, así que es aleatorio a todos los efectos. Pero debido a la interferencia entre los qubits, algunas combinaciones son más probables que otras. Esto es parecido a lanzar un dado cargado: sigue produciendo un número aleatorio, pero hay números que tienen una mayor probabilidad de aparecer.

Sycamore calculó la distribución de probabilidad muestreando la salida del circuito: haciéndolo funcionar un millón de veces y determinando las cadenas de números resultantes. Este método es similar a lanzar el dado para revelar su sesgo. En cierto sentido, apunta Monroe, lo que hace la máquina es algo que los científicos realizan constantemente: usar un experimento para encontrar la respuesta a un problema cuántico imposible de calcular de manera clásica. La diferencia fundamental, precisa, es que el ordenador de Google no tiene una única finalidad, sino que es programable y podría aplicarse a cualquier tipo de circuito cuántico.

Verificar la solución constituyó otro desafío. Para conseguirlo, el equipo comparó los resultados con los de simulaciones de versiones más pequeñas y simples de los circuitos, las cuales se realizaron en ordenadores clásicos, como el superordenador Summit del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, en Tennessee. Extrapolando a partir de estos ejemplos, el equipo de Google estima que un ordenador con un millón de unidades de procesamiento (equivalente a unos 100.000 ordenadores de sobremesa) tardaría unos 10.000 años en simular el circuito completo. Sycamore solo tardó 3 minutos y 20 segundos.

Google considera que su prueba de la supremacía cuántica es irrefutable. Incluso si otros investigadores reducen el tiempo que se tardaría en realizar la simulación clásica, los ordenadores cuánticos no dejan de mejorar. Eso significa que, en este problema concreto, es poco probable que las máquinas convencionales los alcancen nunca, explica Hartmut Neven, que lidera el equipo de computación cuántica de Google.

Aplicaciones limitadas

Monroe considera que el logro de Google podría ser beneficioso para la computación cuántica, ya que podría atraer a más científicos e ingenieros informáticos a este campo. Pero también advierte de que esta noticia podría crear la falsa impresión de que los ordenadores cuánticos están más cerca de las aplicaciones prácticas del día a día de lo que realmente están. «Lo que piensa la gente es "finalmente han superado a los ordenadores normales, así que ya está, en dos años tendremos uno en casa"», razona.

En realidad, añade Monroe, los científicos aún no han demostrado que un ordenador cuántico programable pueda resolver una tarea útil que no pueda acometerse de ninguna otra manera, como calcular la estructura electrónica de una determinada molécula, un problema complicadísimo que requiere modelizar múltiples interacciones cuánticas.

Otro paso importante, apunta Aaronson, sería demostrar la supremacía cuántica en un algoritmo que incluya un proceso conocido como corrección de errores, un método para corregir los errores inducidos por el ruido que de otro modo invalidarían un cálculo. Los físicos piensan que esto será esencial para que los ordenadores cuánticos funcionen a gran escala.

Google está trabajando para alcanzar estos dos hitos, subraya Martinis, y revelará los resultados de sus experimentos en los próximos meses.

Aaronson piensa que el experimento que Google ideó para demostrar la supremacía cuántica podría tener aplicaciones prácticas: el investigador ha creado un protocolo que emplea dicho cálculo para demostrar a un usuario que los bits generados por un generador cuántico de números aleatorios son realmente aleatorios. Esto podría ser útil, por ejemplo, para la criptografía y algunas criptomonedas, cuya seguridad se basa en claves aleatorias.

Los ingenieros de Google tuvieron que llevar a cabo una serie de mejoras en sus componentes para ejecutar el algoritmo, como construir nuevos dispositivos electrónicos para controlar el circuito cuántico y concebir una nueva forma de conectar los qubits, agrega Martinis. «Realmente, esta es la base sore la que vamos a ir aumentando la escala. Creemos que esta arquitectura básica constituye el camino a seguir», concluye.

Elizabeth Gibney/Nature News

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

Referencias: «Quantum supremacy using a programmable superconducting processor», Frank Arute et al. en Nature, vol. 574págs. 505-510, 23 de octubre de 2019; «Leveraging secondary storage to simulate deep 54-qubit Sycamore circuits», Edwin Pednault et al. en arXiv:1910.09534 [quant-ph], 21 de octubre de 2019.

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