La carrera hacia la supremacía cuántica

Dos grandes empresas, IBM y Google, compiten entre sí por alcanzar la supremacía cuántica: fabricar un ordenador cuántico capaz de resolver un problema que ningún ordenador clásico del mundo haya sido capaz de resolver hasta ese día. Parece difícil, ya que los superordenadores más poderosos del mundo, que lideran el TOP500, son muy poderosos. Sin embargo, se estima que un ordenador cuántico de propósito general totalmente funcional sería capaz de tal hazaña con tan solo 50 cúbits. Como puedes imaginar, lograr la supremacía cuántica será el final de una carrera y el inicio de otra, la carrera hacia los ordenadores cuánticos comerciales. Permíteme glosar la situación actual de esta carrera entre gigantes.

El término «supremacía cuántica» fue acuñado por el físico John Preskill, que ocupa la cátedra Richard P. Feynman de Física Teórica en el Instituto Técnico de California (Caltech). Lo acuñó en octubre del año 2011 para su charla en la 25º Conferencia Solvay de Física [1]. Un término muy popular hoy en día, aunque resulta políticamente incorrecto para cierta gente [2]. El problema lingüístico es sencillo, en inglés recuerda demasiado al término «supremacía blanca», que se usó durante el apartheid de Sudáfrica entre 1948 y 1991. Para un hispanoparlante, quizás, la asociación con la segregación racial no sea tan obvia. Aun así, el propio Preskill tuvo sus propias dudas al respecto como nos contó en su blog Quantum Frontiers [3]; allí retó a sus lectores a proponer una alternativa; nadie propuso ninguna mejor.

Llamamos «cúbit» (qubit en inglés) a un «dígito binario cuántico» (quantum binary digit), o sea, a un «bit cuántico» (quantum bit). Este término matemático fue acuñado en el año 1993 por el físico Ben Schumacher, del Kenyon College, Ohio (EE.UU.), tras una conversación con uno de los padres de la teoría cuántica de la información, el físico teórico Bill K. Wootters, del Williams College, Massachusetts (EE.UU.) [4]. El concepto matemático de cúbit se puede implementar físicamente mediante cualquier sistema cuántico que presente dos niveles, o estados energéticos, que puedan estar en superposición cuántica. A veces conviene diferenciar entre «cúbit matemático» y «cúbit físico», pero en la práctica el contexto suele aclarar en qué sentido se está usando.

El primer artículo en el que se escribió el término «cúbit» se envió en 1993 a una revista de física, Physical Review A, aunque apareció en abril de 1995 [4]. Un segundo artículo del propio Schumacher, junto al matemático Richard Jozsa, de la Universidad de Cambridge (Reino Unido), que fue enviado más tarde en 1993 a una revista de óptica, acabó apareciendo publicado un poco antes, en 1994 [6]. En poco tiempo el término se hizo muy popular.

Los ordenadores cuánticos se caracterizan por su número total de cúbits, lo que en un ordenador clásico sería equivalente, más o menos, al número total de transistores de su microprocesador. En los ordenadores clásicos el número de bits se usar para otra cosa, el tamaño del bus de datos, es decir, el número de bits que puede recibir o enviar de forma simultánea desde la placa base al microprocesador. Hoy en día lo habitual es que un ordenador use un microprocesador de Intel de 64-bits (un Core i3, Core i5, o Core i7), que tiene unos cientos de millones de transistores. Sin embargo, el primer microprocesador de Intel era de 4-bits, el famoso Intel 4004, que tenía 2300 transistores; luego aparecieron los procesadores de 8-bits, como el 8080, con 4500 transistores; más tarde los de 16-bits, como el famoso 8086, con 29000 transistores; y así sucesivamente.

Un ordenador cuántico con 50 cúbits sería algo así como un ordenador clásico con una memoria capaz de almacenar 50 bits (el equivalente a siete letras de texto en formato ASCII); parece un número ridículamente pequeño, sobre todo hoy en día que los ordenadores tienen gigabytes de memoria; pero la magia cuántica oculta un as bajo la manga, el paralelismo cuántico. En cada paso de la ejecución de cierto algoritmo, el ordenador clásico aplica una operación matemática al contenido almacenado en su memoria clásica de 50 bits, llamada registro, es decir, a un valor numérico concreto de entre 250 posibles valores (uno entre unos mil billones).

Sin embargo, en el ordenador cuántico la información se almacena en un registro cuántico, que para 50 cúbits almacena un estado en superposición cuántica de todos los 250 posibles valores, cada uno con su correspondiente amplitud de probabilidad; gracias a ello, en cada paso de la ejecución del algoritmo cuántico se aplica una operación matemática que cambia de forma simultánea las 250 amplitudes de probabilidad correspondientes a cada uno de los 250 valores en superposición cuántica. Si este proceso se realiza de forma adecuada, el ordenador cuántico puede ser mucho más eficiente que un ordenador clásico; más aún, la simulación en un ordenador clásico del funcionamiento de un ordenador cuántico requerirá usar 250 registros clásicos, o aplicar 250 operaciones sobre un único registro clásico. Aunque estoy obviamente muchas sutilezas técnicas, salta a la vista que un ordenador cuántico con decenas de cúbits puede lograr la supremacía cuántica.

El gran problema de la fabricación de un ordenador cuántico es que no basta tener unos cuantos cúbits físicos para tener un registro cuántico en el que adquieran un estado de superposición cuántica coherente. Además, hay que garantizar que la coherencia cuántica no se pierda durante la aplicación de todas y cada una de las operaciones cuánticas aplicadas a los cúbits del registro cuántico. Cualquier interacción de alguno de los cúbits con su entorno (el sitio donde se encuentre cada cúbit físico) puede resultar en una medida no intencionada de su estado cuántico; la medida destruye (al menos parcialmente) el estado cuántico en superposición y entra en acción la decoherencia cuántica, con lo que el sistema de cúbits pasa a comportarse como un ordenador clásico (probabilístico). Con la tecnología actual aislar 50 cúbits del resto del universo y al mismo tiempo poder operar de forma arbitraria con cualquiera de ellos raya lo imposible. Por eso la carrera hacia la supremacía cuántica está repleta de obstáculos, incluso para gigantes como IBM y Google.

El concepto de supremacía cuántica es relevante en computación cuántica porque, en la práctica, es el único método para asegurarnos de que un supuesto ordenador cuántico con muchos cúbits es realmente un ordenador cuántico. Parece un juego de palabras, pero la diferencia entre un ordenador cuántico y un ordenador clásico probabilístico que usa cúbits como fuente de aleatoriedad es sutil; la eficiencia cuántica requiere que el ordenador sea cuántico de verdad. Con pocos cúbits se puede realizar un estudio experimental sistemático para verificar que el ordenador cuántico se comporta como tal. Pero con decenas de cúbits dicho estudio experimental es inviable.

Por todo ello, la mejor manera de confirmar que un supuesto ordenador cuántico con 50 cúbits es realmente un ordenador cuántico consiste en ejecutar en él un algoritmo que resuelva un problema cuya solución es imposible de lograr con el más potente de los superordenadores clásicos actuales; lo ideal sería que, por supuesto, el problema sea tal que sea fácil comprobar que la solución ofrecida es correcta. Hay muchos problemas así, pero es muy costoso poner a un equipo de investigadores a desarrollar programas y más programas para ejecutar en dicho ordenador esperando, no sin cierta fe, a que alguno demuestre la supremacía cuántica. Aquí es donde entra con pie firme la iniciativa de IBM llamada Quantum Experience [7].

El gigante azul ofreció en el verano de 2016 el acceso gratuito y automático a un ordenador cuántico de 5 cúbits mediante un servicio en la nube (cloud). La iniciativa ha sido todo un éxito y se estima que unos 40000 usuarios de más de 100 países han desarrollado más de 275000 algoritmos cuánticos para dicho ordenador en solo un año; la corrección de los programas se verifica en un simulador clásico, para luego ser ejecutados en la máquina física IBM Q [8]. Gracias a esta ingente cantidad de experimentos se puede validar estadísticamente que este ordenador IBM Q de 5 cúbits se comporta como debe hacerlo un ordenador cuántico de propósito general.

Validar de forma experimental que un ordenador cuántico de 16 cúbits es realmente cuántico, si bien no es imposible, requiere un coste muy elevado en tiempo y recursos. Por ello, desde marzo de 2017, la IBM Q Experience ofrece el acceso gratuito a un supuesto ordenador cuántico de 16 cúbits que usa la misma tecnología que el ordenador anterior de 5 cúbits [7]. Para este nuevo ordenador no existe un simulador clásico eficiente, aunque existe un verificador de la sintaxis del código. Un usuario solo sabrá si su algoritmo funciona correctamente tras ejecutarlo físicamente en la máquina IBM Q. Se espera que gran parte de los usuarios que ya han disfrutado de la experiencia con 5 cúbits se atrevan con la nueva máquina de 16 cúbits. Si toda va bien, dentro de un año habrá un número suficiente de experimentos como para que se pueda verificar de forma estadística que la máquina de 16 cúbits se comporta como debe hacerlo un ordenador cuántico.

Dra. Katie Pooley junto al cilindro del contiene el sistema criogénico que contiene en su interior el ordenador IBM Q de 17 cúbits en el Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM. Fuente: Carl de Torres para IBM.

Permíteme enfatizar la idea del gigante azul: decenas de miles de usuarios trabajarán gratis para IBM demostrando que su máquina funciona. ¡Qué más se puede pedir! Por supuesto, mantener una máquina cuántica de 16 cúbits en funcionamiento continuo en un laboratorio tiene un coste. Por ello, las grandes mentes pensantes de IBM Q han tenido otra idea feliz, que anunciaron el pasado 17 de mayo de 2017 [7]. Su máquina de 16 cúbits tiene 17 cúbits. ¡¿Cómo?! La experiencia IBM Q ofrece acceso gratuito a 16 cúbits, ni uno más; quien quiera usar los 17 cúbits tendrá que pagar por ello. Todas las empresas, industrias, institutos de investigación y demás entes interesados en usar la máquina de 17 cúbits podrán aprender a usarla de forma gratuita, con 16 cúbits, pero para usar la máquina fetén tendrán que abonar por ello. Sin lugar a dudas el gigante azul es gigante por algo.

Seguro que te preguntas, si nadie sabe con seguridad si el ordenador IBM Q de 17 cúbits es realmente cuántico, ¿quién va a pagar por usarlo? Yo no tengo la respuesta. Lo cierto es que lo único importante para IBM Q es que la máquina de 16 cúbits sea tan usada, o más, de lo que ha sido usada la máquina de 5 cúbits en el último año. Así podrá verificar que su tecnología funciona.

El objetivo de IBM Q es fabricar un ordenador cuántico de 50 cúbits antes de 2022 capaz de lograr la supremacía cuántica. Para este proyecto lo ideal es disponer de cientos de miles de algoritmos cuánticos ya implementados y de decenas de miles de programadores cuánticos experimentados en su tecnología. Quizás alguno de esos algoritmos, implementado en 50 cúbits, sea el que logre la supremacía cuántica para IBM. Quizás en los próximos años IBM abra una competición entre sus usuarios con un buen premio en metálico para el primero que logre demostrar la supremacía. Quizás el gigante azul venza en la carrera de la supremacía cuántica contra Google gracias a esos miles de programadores que están trabajando gratis por el mero placer de usar un ordenador cuántico.

Por cierto, Google afirma tener un ordenador cuántico de 8 cúbits, pero no ha demostrado aún que sea cuántico. Ha anunciado que pretende fabricar uno de 50 cúbits antes que IBM [8]. ¿Pero quién programará dicha máquina? ¿Quién trabajará gratis para Google?

Post completo en: Cuaderno de Cultura Científica

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