Supremacía
cuántica: recibiendo con los brazos abiertos a nuestros nuevos señores
cuánticos.
La persistencia de la memoria.
El anuncio de que
Google había alcanzado la supremacía cuántica1 fue noticia no una,
sino dos veces. La primera, cuando el artículo que detallaba el portentoso
avance se filtró, no se sabe cómo, allá por septiembre de 2019. La segunda, un
mes después, cuando fue finalmente publicado en Nature. Y ni siquiera estoy contando
la que sería la tercera, cuando IBM difundió una nota de prensa intentado
rebatir los resultados de Google. Como se puede ver, este no es un
descubrimiento típico. Va más allá de los círculos científicos y académicos
para capturar la imaginación del público. De hecho, ha sido comparado por Scott
Aaronson, uno de los investigadores en computación cuántica más importantes del
mundo, con aquel momento histórico del primer vuelo de los hermanos Wright.
Intrigante, ¿verdad? En esta breve nota, trataré de explicar qué es esa tan
nombrada supremacía cuántica, cómo la han conseguido los investigadores de
Google, por qué IBM le pone pegas y, sobre todo, por qué es potencialmente uno
de los desarrollos científicos y tecnológicos más importantes del siglo XXI. Para
ello, necesitamos comenzar por el principio, respondiendo a una pregunta
fundamental…
¿Qué
es la computación cuántica?
El funcionamiento interno de los ordenadores
cuánticos es el tema del (excelente) capítulo de Diego García-Martín que se
encuentra en este mismo volumen y, de hecho, hace poco yo mismo tuve el honor
de escribir sobre ello para otro libro2. Sin embargo, para hacer
este artículo tan autocontenido como sea posible, mencionaré algunos detalles a
los que me referiré más adelante.
En mi opinión, lo más
importante que se debe comprender es que un ordenador cuántico no es
simplemente un ordenador más rápido. De hecho, ni siquiera es cierto que los
ordenadores cuánticos sean más rápidos en todas las tareas (¡y hasta podrían
ser más lentos en algunas!). Entonces, ¿por qué tanto revuelo? Lo que hace
especiales a los ordenadores cuánticos es que pueden aprovechar algunas
propiedades “extrañas” de las partículas subatómicas (como la superposición, el
entrelazamiento o la interferencia) para abordar ciertos problemas de forma
diferente. Esto hace posible desarrollar algoritmos cuánticos que resuelven
problemas de forma mucho más rápida que cualquier algoritmo clásico conocido3.
El ejemplo más
notorio se debe a Peter Shor, que en 1994 descubrió una manera rápida de
factorizar números con la ayuda de un ordenador cuántico. Encontrar los
factores primos de un entero podría parecer un juego de niños, y lo es para
números pequeños como el 15, el 21 o el 49. Pero, ¿resulta tan sencillo, por
ejemplo, cuando tenemos algo como
3442236437844890848962691120256523872456444051997010354874932020517692086113259539755530138240613932133436429030725281214457504205876121500455522122021956828989679539799089428606069211781714466580121376966304852290646741335767985832244563863256968923004470022322683044576929476947120638879022104852435535246204194655452192106910647827239222132389476473637854580838107932559200658278001280804572498177?
Ya no lo parece, ¿verdad4? El mejor algoritmo clásico del que
disponemos para resolver este tipo de problema tardaría un tiempo desorbitado
en factorizar un número de, digamos, 1000 cifras. Esta dificultad es, de hecho,
la base de algunos protocolos criptográficos muy usados, como el famoso RSA.
Pero el algoritmo de Shor nos muestra que, con un ordenador cuántico,
factorizar esos números y, por tanto, romper la seguridad de casi todo
Internet, sería mucho, mucho más fácil.
¿Qué
es, entonces, la supremacía cuántica?
Demostrar matemáticamente que un ordenador cuántico
es capaz de hazañas como factorizar un número grande es una cosa; ejecutar el
algoritmo de Shor en un dispositivo real, otra bien diferente. El reto
tecnológico de construir un ordenador cuántico suficientemente grande se ha
convertido en uno de los más difíciles que la humanidad ha afrontado. Sin
embargo, en los últimos años se han producido notables avances en las técnicas
usadas para construir ordenadores cuánticos de propósito general y algunos
aparatos han pasado de ser prototipos de laboratorio a dispositivos que, con
sus limitaciones, se pueden incluso usar gratuitamente a través de Internet.
Esto condujo a John Preskill a definir, en 2012, la supremacía cuántica como el momento en el que un ordenador cuántico
real “superara claramente” en alguna tarea al ordenador clásico más potente. Nótese
que esta tarea no tiene por qué ser útil. Algunos grupos de investigación
aceptaron, de distintas formas, este desafío, entre ellos el Google Quantum AI
Lab liderado por John Martinis. Este equipo sacudiría el mundo años más tarde
al anunciar su éxito.
¿Cómo
ha logrado Google la supremacía cuántica?
Es natural pensar que el candidato ideal para un
experimento de supremacía cuántica sería encontrar los factores de un número
grande. No conocemos ningún algoritmo clásico que pueda resolver el problema
eficientemente (y sospechamos que no existe tal método), pero podríamos usar el
algoritmo de Shor para factorizarlo en un ordenador cuántico y, después,
comprobar la respuesta en un ordenador de escritorio (multiplicar sí que se
puede hacer de forma eficiente en ordenadores clásicos, claro). El problema es
que para ejecutar el algoritmo de Shor necesitaríamos construir un ordenador
mucho más grande que los que tenemos hasta ahora. Uno de los parámetros más
importantes en la arquitectura de un ordenador cuántico es la cantidad de qubits (comparable a la RAM de un
ordenador convencional). Sycamore, el procesador usado por Google para alcanzar
la supremacía cuántica, tiene 54 (de los que se pueden usar 53). Se ha estimado
que con un número que un ordenador clásico no pueda factorizar, se necesitarían
millones de qubits.
El procesador cuántico
Sycamore de Google. (Créditos: Erik Lucero, Google).
Sin embargo, hay una
tarea que resulta sencilla para los ordenadores cuánticos pero parece ser muy
difícil para los clásicos: ejecutar circuitos
cuánticos. Estos circuitos son análogos a los programas de los ordenadores clásicos. Así que, en esencia, lo
único que hace un ordenador cuántico es ejecutar circuitos cuánticos5.
Los ordenadores clásicos también lo pueden hacer (se suele llamar simulación a esta tarea), pero el tiempo
necesario crece exponencialmente con el número de qubits. Esto significa que
simular un circuito de 100 qubits en un ordenador clásico podría llevar más
tiempo que el transcurrido desde el Big Bang hasta ahora. Lo que el equipo de
Martinis consiguió fue generar circuitos aleatorios de 53 qubits, ejecutarlos
en su procesador cuántico y muestrear los resultados. Esto le llevó unos 300
segundos al ordenador cuántico. Con sus estimaciones, a un ordenador
tradicional le costaría 10.000 años. ¡Supremacía cuántica alcanzada!
¿O
no?
Como he mencionado en la introducción, algunos
investigadores de IBM han puesto objeciones al anuncio de Google. Su
justificación es que Google no ha considerado todas las posibilidades.
Simplificando mucho, el problema es que existe un algoritmo para simular
circuitos cuánticos que usa mucha memoria. Mucha.
Tanta, que ningún ordenador existente tiene la suficiente para ejecutarlo con
circuitos de 53 qubits. Así que Google hizo sus cálculos considerando otro
método que es más lento pero usa mucha menos memoria. De ahí los 10.000 años. IBM
argumenta que el algoritmo rápido se podría usar si no se utilizase solo RAM
sino también discos duros para almacenar los datos necesarios para la
computación. Con este enfoque, calculan que el tiempo necesario para simular
los circuitos de Google sería “solo” de dos días y medio.
Y
al final, ¿quién tiene razón?
La definición de supremacía cuántica es un tanto
ambigua. No establece una meta clara, y podría cambiar si se descubren nuevos
algoritmos o si hay avances en el hardware.
Pero, incluso así, el logro de Google es extremadamente relevante. Trescientos
segundos es, desde luego, mucho menos que dos días y medio e incluso IBM acepta
que con unos pocos qubits más su enfoque no sería viable. Aún mejor. Lo
conseguido por el equipo de John Martinis, esa supremacía cuántica, es solo el
comienzo de una nueva era en la que los ordenadores cuánticos nos pueden ayudar
a alcanzar cumbres todavía más altas. La era de la computación cuántica. ¡Carl
Sagan estaría, seguramente, muy orgulloso!
Notas:
1 El término “supremacía
cuántica”, a causa de sus connotaciones políticas, ha sido considerado
inadecuado por algunos investigadores en computación cuántica. Se han propuesto
alternativas, incluida “ventaja cuántica”, pero como ha señalado John
Presskill, estos nuevos términos no reflejan completamente la diferencia real
entre ordenadores clásicos y cuánticos. Por esta razón, y dado el extendido uso
de “supremacía”, he decidido conservarlo en este texto.
2 “Y un
gran paso para la humanidad”, editado por Ana Casalvilla Dueñas y Quintín
Garrido, que se puede descargar en: https://yungranpasoparalahumanidad.blogspot.com/2019/02/computacion-cuantica-elias-fernandez.html
3 Y tenemos buenas razones para pensar que se trata de una
limitación fundamental de los ordenadores clásicos, no solo que no hayamos
buscado con suficiente ahínco.
4 Sus factores son, por cierto,
38446987513619644955815324662957851615740204558929741701011236593747201243473865651109495096257976848140931686246832118997178441313186890031551687408532105122099332172678260860632442477936678431268763
y
89532019553560510572280382084216577436370480412820899579066689247911167282144485321539000856903001904683556540913581333554678296618564366005378732821281475596193803322477850929715108931267459260799379.
5 Existen otros
paradigmas de computación cuántica, pero el de los circuitos cuánticos es el
más usado.
Bibliografía:
(1) Arute, F., Arya,
K., Babbush, R. et al., 2019,
Quantum supremacy using a programmable
superconducting processor. Nature 574, 505–510
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5
(2) Pednault E.,
Gunnels J., Maslov D., Gambetta J., 2019, On
“Quantum Supremacy”, IBM Research blog, https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/
(3) Preskill, J., 2019,
Why I Called It ‘Quantum Supremacy’,
Quanta Magazine, https://www.quantamagazine.org/john-preskill-explains-quantum-supremacy-20191002/
Elías Fernández-Combarro Álvarez.
Licenciado en
matemáticas. Ingeniero técnico en informática. Doctor en matemáticas.
Profesor asociado –
Departamento de informática – Universidad de Oviedo.
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