El pasado 23 de octubre, investigadores del grupo de Inteligencia Artificial Cuántica de Google publicaron un artículo en la revista Nature [1] donde aseguran haber alcanzado la supremacía cuántica. De comprobarse, sería un gran avance dentro del marco de desarrollo de tecnologías de la información cuántica. Sin embargo, es necesario esclarecer lo que éstos términos significan y si los resultados demostrados pueden ser considerados como prueba de supremacía.
Foto portada: cortesía Google
Artículo: Alexander Keesling
Hoy en día hay un gran interés, tanto en el mundo académico como en el empresarial, por desarrollar tecnologías que exploten las leyes de la física cuántica para fines prácticos. La tecnología que más atención recibe es la de procesar información de una manera distinta a las computadoras actuales. El propósito de las llamadas computadoras cuánticas es realizar ciertos cómputos que por tener una estructura compleja son difíciles de llevarse a cabo en computadoras convencionales – esto se debe a que una computadora convencional requiere cantidades exorbitantes de recursos como memoria y tiempo de cómputo. Sin embargo, la tecnología necesaria para crear y controlar dichos dispositivos aún está en sus primeras fases de desarrollo y todavía hay una gran cantidad de incógnitas que se deben resolver antes de que esta tecnología tenga un uso práctico.
Vale la pena recalcar que no es claro cuáles serían los problemas en los cuales las computadoras cuánticas sobrepasarían a sus contrapartes clásicas o convencionales. Algo muy probable es que se utilicen en conjunto con computadoras clásicas y no las reemplacen completamente. Sin embargo, las áreas de aplicación de las computadoras cuánticas son prometedores e incluyen: la habilidad de diseñar nuevos materiales, medicinas, y reactores para generar electricidad entre otros usos.
Los primeros 50 bits y ¿después?
Los dispositivos que se han construido en grandes compañías como Google e IBM así como en laboratorios universitarios y startups, han demostrado algunos de los elementos necesarios para controlar hasta 50 bits cuánticos. Sin embargo, controlar procesadores más grandes es complicado ya que para preservar las propiedades cuánticas que agilizan el cómputo, es necesario aislar al procesador de todo contacto con su entorno. Además se requieren de refrigeradores de dilución para mantener la temperatura del chip poco arriba de 0 grados. Con la tecnología actual, la interacción del procesador cuántico con su entorno introduce errores en los cómputos de vez en cuando – este efecto negativo se amplifica de manera exponencial al incrementar el tamaño del procesador.
Foto izq.: Científicos e ingenieros en Google manteniendo el enfriador de dilución que alberga el chip Sycamore. Este chip fue usado para demostrar el experimento de supremacía cuántica. Desde arriba, de izq. a der.: Anthony Megrant, Ted White, Andrew Dunsworth, Jaime Yao, Brian Burkett, Ping Yeh.
Foto derecha: El procesador Sycamore. a, diseño del procesador, mostrando una matriz rectangular de 54 qubits (gris), cada uno conectado a sus cuatro vecinos más cercanos con acopladores (azul). El qubit sin relleno es inoperable. b, Fotografía del chip Sycamore.
Fotos: Google
¿Qué es la supremacía cuántica?
En los últimos años, una de las preguntas más importantes alrededor de la computación cuántica es: ¿qué hacer con uno de estos dispositivos relativamente pequeños e imperfectos para demostrar su ventaja sobre las computadoras clásicas? Esta pregunta ha llevado al concepto de la “supremacía cuántica” que se refiere a la demostración de cualquier cálculo en una computadora cuántica, mismo que por su complejidad es difícil de resolver con cualquier computadora clásica. El problema computacional en cuestión no necesita tener alguna utilidad, sólamente debe estar bien definido.
La definición de supremacía cuántica y su controversia
El tamaño del procesador cuántico, la cantidad de operaciones que debe realizar y la probabilidad para realizar una computación compleja sin introducir errores, son algunos de los requisitos necesarios para cruzar el umbral hacia la de supremacía cuántica. Sin embargo, estas características son un tema debatido agitadamente.
En en la publicación del mes pasado en la revista Nature los investigadores dicen haber demostrado que su procesador de 54 bits cuánticos es capaz de llevar a cabo más de 1,500 operaciones – esto, sin introducir errores dos de cada 1,000 veces. Estos resultados representan un gran avance en la calidad de procesadores cuánticos, pero ¿son realmente una demostración de supremacía cuántica?
Los científicos de investigación Amit Vainsencher (al frente) y Ofer Naaman (atrás) ensamblan y prueban cables de microondas para controlar qubits a temperaturas de milikelvin. Foto: Google
La controversia – IBM cuestiona la supremacia cuántica de Google
En la publicación de Nature, los investigadores de Google muestran que al introducir series de operaciones al azar, su procesador cuántico puede generar números aleatorios con una distribución específica – todo esto en tan sólo 200 segundos. También mencionan una de las supercomputadoras clásicas más poderosas del mundo tardaría más de 10,000 años para obtener la misma respuesta. A pesar de ello, no todos están convencidos: recientemente un análisis llevado a cabo por IBM llegó a la conclusión de que es posible realizar este cómputo en poco más de dos días, cuestionando la validez de la supremacía cuántica que se atribuye Google [2, 3]. De manera similar Christopher Monroe, investigador de la Universidad de Maryland y fundador de la compañía de computación cuántica IonQ, puso en duda la novedad de los resultados demostrados por el equipo de Google. Monroe afirma que en 2017 su grupo de investigación demostró resultados de otro problema computacional utilizando la misma cantidad de bits cuánticos [4].
La carrera ha comenzado
El avance de las tecnologías de la información cuántica acelera día con día y el procesador cuántico de Google representa un gran paso en la dirección correcta. Por nuestra parte tendremos que esperar para ver la resolución de este debate. Aunque se puedan comprobar los resultados del equipo de Google, queda un largo camino para hacer que las computadoras cuánticas resuelvan problemas prácticos y sobrepasen a nuestra tecnología actual… pero la carrera ya ha comenzado.
Fuentes externas:
- https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5
- https://arxiv.org/abs/1910.09534
- https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/
- https://www.afr.com/technology/why-google-wasn-t-really-the-first-to-achieve-quantum-supremacy-20190927-p52vg6
Sobre el autor:
Alexander Keesling
CienciaAlex (Ciudad de México, 1990) es un físico mexicano que trabaja en el desarrollo de tecnologías cuánticas, particularmente para fines de computación cuántica. Realizó su licenciatura en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y su maestría en la Universidad de Harvard, en donde realiza investigación actualmente como parte de su doctorado. Ha publicado artículos científicos en las revistas Nature y Science, entre otras.
