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23 de Julio de 2019
Computación cuántica

La supremacía cuántica está cerca: lo que hay que saber

Se está cerca de construir un ordenador cuántico que puede realizar tareas inasequibles para uno clásico. Veamos aquí qué podría significar este hito.

¿Se llegará a la llamada supremacía cuántica antes de que acabe el año? [procesador Foxtail de Google: Google/Erik Lucero].

Los ordenadores cuánticos no desplazarán nunca del todo a los «clásicos», como el aparato donde está usted leyendo este artículo. No ejecutará usted en ellos una busca en la Red, no hará con ellos la declaración de la renta, no verá gracias a ellos la última película de Netflix.

Ofrecerán, o al menos es lo que se espera de ellos desde hace tanto, una manera fundamentalmente diferente de realizar ciertos cálculos. Resolverán problemas que un computador clásico rápido tardaría miles de millones de años en resolver. Harán posible la simulación de sistemas cuánticos complejos, las moléculas biológicas, por ejemplo, o factorizarán números increíblemente grandes, lo que permitirá descifrar formas de encriptación en uso desde hace mucho.

«Supremacía cuántica»: es el nombre que se le da al umbral donde los ordenadores cuánticos dejan de ser un proyecto de investigación interesante para empezar a hacer cosas que las computadoras clásicas no pueden hacer. Muchos creen que el proyecto de computación cuántica de Google llegará a ella más avanzado este año. A la espera de ese acontecimiento, hemos preparado esta guía para quienes sientan curiosidad por los ordenadores cuánticos. Da la información necesaria para entender la supremacía cuántica y saber si realmente se ha llegado a ella.

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

Para lograr la supremacía cuántica, un ordenador cuántico tendría que efectuar algún cálculo que, a todos los efectos prácticos, uno clasico no podría llevar a cabo.

En cierto sentido, este hito no es natural. La tarea que se usará para poner a prueba la supremacía cuántica es un tanto artificiosa: se parece más a un número de magia que a un avance útil (volveremos a esto enseguida). Por esa razón, no todos los esfuerzos en serio de construir un ordenador cuántico tienen como objeto específico la supremacía cuántica. «Supremacía cuántica: no usamos esta expresión para nada», dice Robert Sutor, el ejecutivo responsable de la estrategia de IBM para la computación cuántica. «No nos importa lo más mínimo».

Pero, de otras formas, la supremacía cuántica marcaría un cambio en la historia de la computación. En el nivel más básico, podría conducir a unos ordenadores cuánticos que fuesen realmente útiles en ciertos problemas prácticos.

Hay una justificación histórica de este punto de vista. En la década de 1990, los primeros algoritmos cuánticos resolvieron problemas que no le interesaban en realidad a nadie. Pero los científicos de la computación que los crearon aprendieron cosas que aplicaron al desarrollo de algoritmos subsiguientes (como el de Shor, que factorizaba números grandes) que sí tenían consecuencias prácticas enormes.

«No creo que estos algoritmos hubiesen existido si la comunidad científica no hubiera trabajado antes sobre la cuestión de en qué serían buenos los ordenadores cuánticos en principio, sin preocuparse directamente del valor de uso», dice Bill Fefferman, científico de la información cuántica de la Universidad de Chicago.

El mundillo de la computación cuántica espera que se repita ahora el proceso. Al construir un ordenador cuántico que bata a los clásicos, aunque sea resolviendo un solo problema inútil, es posible que los investigadores aprendan cosas que les permitan construir más tarde un ordenador cuántico con una utilidad más amplia.

«Antes de la supremacía, la posibilidad de que un ordenador cuántico haga algo interesante es, sencillamente, nula», según Fernando Brandão, físico teórico del Instituto de Tecnología de California e investigador en Google. «La supremacía es un hito necesario».

Además, la supremacía cuántica sería un terremoto en el campo de la ciencia teórica de la computación. Durante muchos años ha actuado bajo una suposición, la «tesis extendida de Church-Turing», que dice que un ordenador clásico puede realizar eficientemente cualquier cálculo que otro tipo de ordenador efectúe eficientemente. La supremacía cuántica sería la primera violación experimental de ese principio, así que introduciría las ciencias de la computación en un mundo completamente nuevo. «La supremacía cuántica sería un avance fundamental en la forma en que vemos la computación», dice Adam Bouland, científico de la información cuántica de la Universidad de California en Berkeley.

¿Cómo se demuestra la supremacía cuántica?

Resolviendo un problema que un ordenador clásico no puede resolver eficentemente. Podría ser cualquier problema que se quisiera, pero se suele esperar que la primera demostración de la supremacía cuántica se refiera a uno concreto: el «muestreo de circuito aleatorio».

Un ejemplo sencillo de un problema de muestreo de un sistema aleatorio lo da un programa que simule las tiradas de un dado sin sesgos. Un programa así se ejecuta correctamente cuando muestrea adecuadamente los resultados posibles y saca, pues, cuando el problema se ejecuta repetidamente, cada uno de los seis números del dado una sexta parte de las veces.

En vez de un dado, este problema candidato para la supremacía cuántica le pide a un ordenador que muestree correctamente los resultados posibles de un circuito cuántico aleatorio, que viene a ser como una serie de acciones que se pueden realizar sobre un conjunto de bits cuánticos, o qubits. Pensemos en un circuito que actúa sobre 50 qubits. A medida que pasan por el circuito, los estados de los qubits se «entrelazan» en una llamada superposición cuántica. Como resultado, al final del circuito los 50 qubits están en una superposición de 250 estados posibles. Si se miden los qubits, el mar de 250 posibilidades colapsa en una sola ristra de 50 bits. Equivale a tirar el dado, salvo que en vez de seis posibilidades hay 250, un trillón aproximadamente, y no todas las posibilidades son igualmente probables.

Los ordenadores cuánticos, que sacan partido de características puramente cuánticas, como las superposiciones y el entrelazamiento, deberían poder producir eficientemente una serie de muestras del circuito aleatorio que sigan la distribución correcta. En cambio, no se conoce un algoritmo rápido para los ordenadores clásicos que genere esas muestras, así que, a medida que el abanico de las muestras posibles aumenta, los ordenadores clásicos pueden quedar abrumados enseguida.

¿A qué hay que esperar?

Mientras los ordenadores cuánticos sigan siendo pequeños, los computadores clásicos podrán mantener el paso, así que para demostrar la supremacía cuántica por medio de un problema de muestreo de circuitos aleatorios los ingenieros deben ser capaces de construir unos circuitos cuánticos que tengan al menos un cierto tamaño mínimo, y hasta ahora no lo han sido.

El tamaño de un circuito viene determinado por el número de qubits con el que se empieza, combinado con el número de veces que se manipulan. Las manipulaciones se realizan en un ordenador cuántico por medio de «puertas», tal y como ocurre también en un ordenador clásico. Diferentes tipos de puertas transforman los qubits de distintas maneras: algunas voltean el valor de un solo qubit, otras combinan dos qubits de distintas formas. Si se someten los qubits a diez puertas, se dirá que el circuito tienen una «profundidad» de 10.

Para lograr la supremacía cuántica, los científicos de la computación estiman que un ordenador cuántico necesitaría resolver el problema del muestreo de circuito aleatorio para un circuito con entre 70 y 100 qubits, más o menos, y una profundidad de alrededor de 10. Si el circuito es mucho más pequeño que eso, lo probable será que un ordenador clásico pueda todavía apañárselas para simularlo, y además las simulaciones clásicas no paran de mejorar.

Sin embargo, el problema al que se enfrentan los ingenieros cuánticos es que, a medida que aumenta el número de qubits y de puertas, también aumenta la tasa de errores. Y si la tasa de errores es demasiado grande, los ordenadores cuánticos pierden su ventaja sobre los clásicos.

Hay muchas fuentes de error en un circuito cuántico. La más importante es el error que se acumula en una computación cada vez que el circuito realiza una operación con las puertas.

De momento, las mejores puertas cuánticas de dos qubits tienen una tasa de error de alrededor del 0,5%, es decir, hay alrededor de un error por cada 200 operaciones. Es astronómicamente más alta que la tasa de errores en un circuito clásico estándar, donde hay aproximadamente un error por cada 1017 operaciones. Para exhibir la supremacía cuántica, los ingenieros tendrán que disminuir la tasa de error de las puertas de dos qubits hasta el 0,1%, más o menos.

¿Cómo sabremos con toda seguridad que se ha demostrado la supremacía cuántica?

Hay hitos inequívocos. La supremacía cuántica no es uno de ellos. «No es como el lanzamiento de un cohete o una explosión nuclear, donde basta mirar para saber inmediatamente si ha salido bien», dice Scott Aaronson, científico de la computación de la Universidad de Texas en Austin.

Para verificar la supremacía cuántica hay que mostrar dos cosas: que un ordenador cuántico ha realizado un cálculo deprisa y que uno clásico no podría realizar ese mismo cálculo eficientemente.

La segunda parte es la más peliaguda. Los ordenadores clásicos a veces resultan ser mejores en ciertos tipos de problemas de lo que esperaban los científicos de la computación. Mientras no se haya probado que no es posible que un ordenador clásico haga algo eficientemente, siempre habrá la posibilidad de que haya un algoritmo clásico mejor, más eficiente. Probar que no existe un algoritmo así es, seguramente, más de lo que la mayoría necesitaría para creer que se ha logrado la supremacía cuántica, pero, no obstante, quizá hará falta cierto tiempo para que se acepte cualquier aseveración de haberla alcanzado.

¿Estamos cerca de lllegar a ella?

Según múltiples fuentes, Google está llamando a la puerta de la supremacía cuántica y podría exhibirla antes de que acabe el año. (Claro está, dijeron lo mismo en 2017). Pero varios otros grupos tienen la capacidad de lograr la supremacía cuántica pronto, entre ellos los de IBM, IonQ, Rigetti y la Universidad Harvard.

Estos grupos utilizan enfoques distintos para construir un ordenador cuántico. Google, IBM y Rigetti realizan cálculos cuánticos mediante circuitos superconductores. IonQ usa iones atrapados. La Iniciativa Harvard, dirigida por Mikhail Lukin, se vale de átomos de rubidio. El enfoque de Microsoft, que utiliza «qubits topológicos», parece que va para largo, si es que va.

Cada enfoque tiene sus pros y sus contras

Los circuitos cuánticos superconductores tienen la ventaja de que se hacen con materiales de estado sólido. Se pueden construir con técnicas de fabricación ya existentes y ejecutan operaciones de puerta muy rápidas. Además, los qubits no se van moviendo de aquí para allá, al contrario que en otras técnicas, lo cual podría ser un problema para estas. Pero también es cierto que hay que enfriarlos hasta temperaturas sumamente bajas y que en un chip superconductor hay que calibrar individualmente cada qubit, por lo cual resulta difícil ampliar la escala de esta técnica hasta los miles de qubits (o más) que se necesitarían para un ordenador cuántico útil.

Las trampas de iones tienen un conjunto de fortalezas y debilidades contrapuestas. Los iones individuales son idénticos, lo que viene bien para la fabricación, y las trampas de iones dan más tiempo para la realización de un cálculo antes de que los qubits queden abrumados por el ruido del entorno. Pero las puertas que se usan para operar en los iones son muy lentas (miles de veces más lentas que las puertas superconductoras) y los iones individuales pueden moverse cuando no se querría que lo hiciesen.

Por ahora, parece que los circuitos cuánticos superconductores avanzan más deprisa. Pero la ingeniería de todos los enfoques tropieza con serias barreras. Hará falta un nuevo gran avance tecnológico antes de que sea posible construir el tipo de ordenadores cuánticos con los que se sueña. «He oído que se dice que la computación cuántica necesitaría un invento análogo al del transistor, un avance tecnológico que actúe casi infaliblemente y cuya escala pueda ampliarse fácilmente», dice Bouland. «Aunque los progresos experimentales recientes han sido impresionantes, tiendo a pensar que no se ha encontrado todavía nada por el estilo».

Supongamos que se demuestra la supremacía cuántica. ¿Y entonces, qué?

Si un ordenador cuántico logra la supremacía cuántica para una tarea artificiosa como es el muestreo de circuitos aleatorios, resulta evidente que la pregunta siguiente es: vale, pero ¿cuándo hará algo útil?

Al hito de la utilidad se le llama a veces «ventaja cuántica». «La ventaja cuántica es esta idea de decir: para el caso de un uso real, un servicio financiero, la inteligencia artificial, la química, ¿cuándo se verá, y cómo se podrá verlo, que un ordenador cuántico hace algo claramente mejor que cualquier referencia clásica conocida?», según Sutor, de la IBM, que tiene varios clientes corporativos, como JPMorgan Chase y Mercedes-Benz, que han empezado a explorar aplicaciones de los chips cuánticos de IBM.

Un segundo hito sería la creación de ordenadores cuánticos tolerantes a los fallos. Estos ordenadores podrían corregir errores en un cómputo en tiempo real, permitiendo así, en principio, la existencia de cálculos cuánticos sin errores. Pero la principal propuesta para la creación de computadoras cuánticas tolerantes a los errores, el llamado «código de superficie», necesita un sobrecoste masivo, de miles de qubits correctores de errores por cada qubit «lógico» que la computadora use para efectuar realmente un cómputo. Esto hace que la tolerancia a los fallos se encuentre mucho más allá del estado actual de la computación cuántica. Es una pregunta aún por responder la de si los ordenadores cuánticos tendrán que ser tolerantes a los fallos antes de que puedan hacer algo útil de verdad. «Hay muchas ideas», afirma Brandão, «pero no se puede dar nada por seguro».

Kevin Hartnett / Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

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