Computación cuántica y qué es la supremacía cuántica de Google
En los últimos años, algunas grandes empresas de tecnología como IBM, Microsoft, Intel o Google, están trabajando y compitiendo, en relativo silencio, en física cuántica y computación cuántica. A continuación, os contamos en qué consiste esto y qué es la supremacía cuántica que Google dijo haber logrado a finales de 2019 y que IBM le ha refutado.
¿Qué es la Computación cuántica?
La computación cuántica o informática cuántica, es un paradigma o sistema de computación distinto a la informática clásica que todos conocemos. Se basa en el uso de cúbits, una combinación de ceros y unos, en lugar de bits, dando lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos. Así pues, una misma tarea puede tener diferente complejidad en computación clásica y en computación cuántica, de modo que algunos problemas que eran intratables hasta entonces, pueden pasar a ser tratables.
A medida que evoluciona la tecnología, se reduce el tamaño de los transistores para producir microchips cada vez más pequeños, lo que se traduce en mayor velocidad de proceso. Sin embargo, no se pueden hacer los chips infinitamente pequeños, ya que hay un límite tras el cual, dejan de funcionar correctamente. Cuando se llega a la escala de nanómetros, los electrones se escapan de los canales por donde deben circular, lo cual se conoce como “efecto túnel” y hace que el chip deje de funcionar bien. En consecuencia, la computación digital tradicional no tardará en llegar a su límite, puesto que ya se ha llegado a 9 y 7 nanómetros. Surge entonces, la necesidad de descubrir nuevas tecnologías y es ahí donde la computación cuántica entra en escena.
La idea de computación cuántica surge en 1981, cuando Paul Benioff expuso su teoría para aprovechar las leyes de la física cuántica en el entorno de la computación. En vez de trabajar a nivel de voltajes eléctricos, se trabaja a nivel de cuanto. El objetivo de las computadoras cuánticas es realizar ciertas tareas mucho más rápido que en las convencionales.
En la computación digital, un bit solo puede tomar dos valores: 0 o 1. En cambio, en la computación cuántica, intervienen las leyes de la mecánica cuántica, y la partícula puede estar en superposición coherente: puede ser 0 o 1 pero también 0 y 1 a la vez. Esto permite que se puedan realizar varias operaciones a la vez, según el número de cúbits o qubits, el cual indica la cantidad de bits que pueden estar en superposición.
Con los bits convencionales, si se tenía un registro de tres bits, había ocho valores posibles pero el registro solo podía tomar uno de esos valores. En cambio, si se tiene un vector de tres cúbits, la partícula puede tomar ocho valores distintos a la vez, gracias a la superposición cuántica, permitiendo un total de ocho operaciones paralelas. Como cabe esperar, el número de operaciones es exponencial con respecto al número de cúbits.
Asimismo, el entrelazamiento de los qubits (denominado como “acción espeluznante a distancia” por Albert Einstein), mantiene fijas ciertas relaciones entre ellos, de manera que las operaciones en un qubit afectarán forzosamente al resto. Este concepto, permitió desarrollar dos algoritmos importantes: el temple cuántico en 1989 y el algoritmo de Shor en 1994. El primero, permite encontrar valores mínimos de funciones, lo cual tiene interesantes aplicaciones en inteligencia artificial y en aprendizaje automático; mientras que el algoritmo de Shor, sirve para descomponer un número en sus factores primos de manera mucho más eficiente que lo que podamos lograr en un ordenador normal, lo cual puede ser utilizado para proteger y cifrar datos en Internet mucho más rápido.
Hablando sobre el origen y evolución de la computación cuántica, como ya dijimos, las ideas esenciales surgieron en 1981 por parte de Paul Benioff, quien trabajaba en el Argone National Laboratory, en Illinois (EE.UU.) e imaginó un ordenador tradicional que trabajaba con algunos principios de la mecánica cuántica.
Por los mismos años, Richard Feynman, físico del Instituto de Tecnología de California (EE.UU.) y ganador del premio Nobel en 1965, proponía el uso de fenómenos cuánticos para realizar cálculos computacionales y exponía que, dada su naturaleza, algunos cálculos de gran complejidad se realizarían más rápidamente en un ordenador cuántico.
En 1985, David Deutsch, físico israelí de la Universidad de Oxford, Inglaterra, describió el primer ordenador cuántico capaz de simular cualquier otro computador cuántico, de modo que así surgió la idea de que un computador cuántico podría ejecutar diferentes algoritmos cuánticos.
En los años 90, las teorías anteriores comenzaron a llevarse a la práctica. En 1993, Dan Simon, del departamento de investigación de Microsoft, comparó el modelo de probabilidad clásica con el modelo cuántico, y sus ideas sirvieron como base para el desarrollo de algunos algoritmos, como el de Shor. También, ese mismo año, Charles Benett, del centro de investigación de IBM en Nueva York, descubrió el teletransporte cuántico, lo cual abrió una nueva vía de investigación hacia el desarrollo de comunicaciones cuánticas.
Al año siguiente, Peter Shor, científico estadounidense de AT&T Bell Laboratories, definió el algoritmo que lleva su nombre, el cual permite calcular los factores primos de números a una velocidad mucho mayor que en cualquier computador tradicional, así como romper muchos de los sistemas de criptografía utilizados actualmente.
En 1996, Lov Grover inventó el algoritmo de búsqueda de datos que lleva su nombre, algoritmo de Grover, el cual tiene un rango amplio de aplicación. Al año siguiente, se iniciaron los experimentos prácticos, llevándose a cabo con éxito el primer experimento de comunicación segura usando criptografía cuántica a una distancia de 23 kilómetros, así como también se realiza el primer teletransporte cuántico de un fotón.
En 1998, investigadores de Los Álamos y el Instituto Tecnológico de Massachusetts, consiguen propagar el primer cúbit a través de una solución de aminoácidos. Esto supuso el primer paso para analizar la información que transporta un cúbit. Durante ese mismo año, nació la primera máquina de 2 cúbits, que fue presentada en la Universidad de Berkeley, California (EE. UU.). Un año más tarde, en 1999, en los laboratorios de IBM-Almaden, se creó la primera máquina de 3 cúbits y que además fue capaz de ejecutar por primera vez el algoritmo de búsqueda de Grover.
Ya en el año 2000, IBM creó un computador cuántico de 5 cúbits capaz de ejecutar un algoritmo de búsqueda de orden, que forma parte del Algoritmo de Shor. Además, ese mismo año, científicos de Los Álamos National Laboratory (EE. UU.), anunciaron el desarrollo de un computador cuántico de 7 cúbits. Y al año siguiente, IBM junto a la Universidad de Stanford, consigue ejecutar por primera vez el algoritmo de Shor en el anterior y último ordenador cuántico creado.
En el año 2005, el Instituto de Óptica e Información Cuántica de la Universidad de Innsbruck (Austria), anunció que sus científicos habían creado el primer qbyte, una serie de 8 cúbits, utilizando trampas de iones. Al año siguiente, científicos en Waterloo y Massachusetts, diseñan métodos para mejorar el control del cuanto y consiguen desarrollar un sistema de 12 cúbits.
En 2007, la empresa canadiense D-Wave Systems presenta en Silicon Valley, una máquina llamada Orion de propósito general y que usa algo de mecánica cuántica para resolver problemas. También, ese mismo año, el National Institute of Standards (NIST) de Boulder y la Universidad de Yale en New Haven, consiguieron unir componentes cuánticos a través de superconductores. De este modo, aparece el primer bus cuántico y este dispositivo, puede además ser utilizado como memoria cuántica, reteniendo la información cuántica durante un corto espacio de tiempo, antes de ser transferido al siguiente dispositivo.
En 2008, según la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) de los EE. UU., un equipo de científicos consiguió almacenar por primera vez un qubit en el interior del núcleo de un átomo de fósforo, y pudieron hacer que la información permaneciera intacta durante 1.75 segundos. Este periodo, puede ser expansible mediante métodos de corrección de errores, por lo que es un gran avance en el almacenamiento de información.
En 2009, el mismo equipo de investigadores de la Universidad de Yale que en 2007 había desarrollado el bus cuántico, crea ahora el primer procesador cuántico de estado sólido, mecanismo que se asemeja y funciona de forma similar a un microprocesador convencional, aunque con la capacidad de realizar solo unas pocas tareas muy simples, como operaciones aritméticas o búsquedas de datos. La comunicación en el dispositivo, se realiza mediante fotones que se desplazan sobre el bus cuántico, circuito electrónico que almacena y mide fotones de microondas, aumentando el tamaño de un átomo artificialmente.
En 2011, D-Wave Systems vende la primera computadora cuántica comercial a Lockheed Martin por 10 millones de dólares. Y en 2012, IBM anuncia que ha creado un chip lo suficientemente estable como para permitir que la informática cuántica llegue a hogares y empresas.
En 2013, D-Wave Systems lanza el nuevo computador cuántico D-Wave Two, el cual es 500000 veces superior a su antecesor, el D-Wave One, con un poder de cálculo de 439 cúbits.
En mayo de 2017, IBM presenta un nuevo procesador cuántico comercial, el más potente hasta la fecha, de 17 cúbits.
Finalmente, en cuanto a ordenadores cuánticos 2019, IBM presentó el IBM Q System One, el primer ordenador cuántico para uso comercial, en el que se combina tanto la computación cuántica como la “tradicional”, para ofrecer un sistema de 20 qubits para su utilización en investigaciones y grandes cálculos. Y por último, a finales de ese año, Google anuncia haber alcanzado la “supremacía cuántica”.
Sin embargo, todavía no se ha resuelto el problema de qué hardware sería el ideal para la computación cuántica. Se ha definido una serie de condiciones que debe cumplir, conocida como la “lista de Di Vincenzo”, y hay varios candidatos actualmente. Las condiciones a cumplir serían:
- El sistema ha de poder inicializarse, esto es, llevarse a un estado de partida conocido y controlado.
- Ha de ser posible hacer manipulaciones a los cúbits de forma controlada, con un conjunto de operaciones que forme un conjunto universal de puertas lógicas (para poder reproducir cualquier otra puerta lógica posible).
- El sistema ha de mantener su coherencia cuántica a lo largo del experimento.
- Ha de poder leerse el estado final del sistema, tras el cálculo.
- El sistema ha de ser escalable: tiene que haber una forma definida de aumentar el número de cúbits, para tratar con problemas de mayor coste computacional.
Y los posibles candidatos serían:
- Espines nucleares de moléculas en disolución, en un aparato de RMN.
- Flujo eléctrico en SQUID.
- Iones suspendidos en vacío.
- Puntos cuánticos en superficies sólidas.
- Imanes moleculares en micro-SQUID.
- Computadora cuántica de Kane.
- Computación adiabática.
Por otra parte, en cuanto a las posibles aplicaciones de la computación cuántica, tenemos el aprendizaje automático para que los ordenadores o máquinas sean extremadamente útiles, encontrar soluciones a problemas en medicina o química, como hallar los métodos óptimos de tratamiento para un paciente o estudiar las posibles estructuras de moléculas complejas; romper gran parte de la criptografía usada ahora; tener buscadores super rápidos; y en el campo de la física, simular sistemas cuánticos.
No obstante, por desgracia, los algoritmos y códigos para ordenadores clásicos no se podrían usar en ordenadores cuánticos y obtener una mejora en velocidad, ya que es necesario desarrollar un algoritmo cuántico e implementarlo, lo cual es bastante complicado.
Pero el principal problema al que se enfrenta la computación cuántica, es construir los ordenadores cuánticos. Comparado con un ordenador normal, un ordenador cuántico es una máquina extremadamente compleja: funcionan a una temperatura cercana al cero absoluto (-273ºC), el soporte de qubits son superconductores, y los componentes para poder leer y manipular los qubits, no son sencillos. Además, los qubits no suelen ser estables, ya que son muy sensibles a las perturbaciones y al ruido. Esto puede llevar a errores en los cálculos, pero también a que el ordenador no sea cuántico propiamente dicho.
Así que, de momento, parece que la computación cuántica se va a limitar a empresas grandes como Google, Microsoft o IBM, que puedan aplicarla a problemas complejos y costosos computacionalmente, un poco de forma similar a los inicios de la computación clásica. Probablemente, cada vez habrá ordenadores cuánticos más potentes, llegando a lo que Google decía sobre la supremacía cuántica y que os explicamos a continuación.
¿Qué es la supremacía cuántica que Google ha logrado?
La supremacía cuántica o quantum supremacy (en inglés), es la capacidad potencial de los dispositivos de computación cuántica para resolver problemas que los ordenadores clásicos prácticamente no pueden resolver. La ventaja cuántica, es el potencial para resolver problemas más rápidamente. Y esto es lo que Google dice haber logrado.
Un equipo dirigido por John Martinis, de la Universidad de California en Santa Bárbara, y Frank Arute, de Google AI Quantium en Mountain View, y en el que también participa la NASA y otras instituciones científicas de Estados Unidos y Alemania, ha publicado el logro en la revista científica “Nature”. Según describen, su computador cuántico programable llamado Sycamore, tardó unos 200 segundos en ejecutar una tarea que, a la mejor de las supercomputadoras clásicas del mundo, la Summit, construida por IBM para el departamento de Energía de EE.UU., le habría llevado completarla alrededor de 10.000 años.
La prueba de la supremacía cuántica consistió en la siguiente operación: “Muestrear un ejemplo de un circuito cuántico un millón de veces”. En un primer test, Sycamore tardó 200 segundos para resolverlo. A Summit le bastaron 130, aunque después necesitó cinco horas más para verificar que su resultado era correcto. Pero en cuanto se aumentó la complejidad del test, Sycamore siguió dando resultados en 200 segundos; mientras que un cálculo de cuánto habría que esperar para que Summit llegara al mismo resultado, concluyó que le harían falta 10.000 años y que necesitaría varios millones de años adicionales para completar los test de verificación.
El trabajo involucraba una serie de operaciones aleatorias que resultan inalcanzables para las técnicas de computación tradicionales, y a las que, en cambio, el procesador cuántico, que no opera según la lógica clásica, logró enfrentarse con éxito.
Para lograr esto, los físicos de Google fabricaron un procesador compuesto por 54 cúbits; sin embargo, un cúbit no funcionó correctamente, por lo que el dispositivo trabajó con 53. El informático leonés Sergio Boixo Castrillo, diseñó el algoritmo usado para este experimento. Además, el equipo desarrolló procesos de corrección de errores para mantener una alta fidelidad operativa.
“Las computadoras cuánticas son propicias al error, pero nuestro experimento ha mostrado la habilidad de llevar a cabo una computación con errores lo bastante escasos en una escala lo bastante amplia como para superar a una computadora clásica”, explica Sundar Pichai, CEO de Google. Por lo que el siguiente paso en el desarrollo de tecnología cuántica, una vez demostrada su utilidad más allá de las posibilidades de la computación actual, será lograr que los circuitos empleados no sean tan propensos al error como ahora.
La prueba de supremacía cuántica en una tarea concreta era, en cualquier caso, un paso fundamental y largamente esperado para la próxima gran revolución tecnológica, la cual se espera que tenga una importancia decisiva en el desarrollo de nuevos ingenios en muy diversas áreas. En concreto, aquellas que la digital, pese a su inmenso desarrollo, aún no puede resolver con la eficacia deseable.
No obstante, este logro por parte de Google, ha incomodado a su gran rival en este campo, IBM, la cual indicó que “no le harían falta 10.000 años, sino sólo dos días y medio para igualar el cálculo de Sycamore. Esto sigue siendo mucho más de doscientos segundos, pero ya no sería un cálculo que quede fuera del alcance de los ordenadores actuales, que es el concepto que se utiliza para definir la supremacía cuántica”. A lo que Google ha respondido que “incluso con los 2,5 días de IBM, es mucho más que los 3 minutos 20 segundos que empleó nuestro ordenador y estamos, por tanto, en régimen de supremacía cuántica”, dijo John Martinis, líder del proyecto cuántico de Google.
“Lo que ha conseguido Google es un hito brutal”, señala José Ignacio Latorre, físico de la Universitat de Barcelona (UB), que lidera la iniciativa para construir un ordenador cuántico en Catalunya. “Centrar el debate en la cuestión semántica de si se ha conseguido o no la supremacía cuántica sería un error. Es un avance extraordinario que hace cinco años nadie hubiera predicho”.
La revista Nature, por su parte, ha dado credibilidad al estudio liderado por Google, donde se recalca que “los procesadores cuánticos han alcanzado el régimen de supremacía cuántica”, lo que no quiere decir que hagan todo mejor, sino que habrá algunas tareas, como la presentada en el informe científico, para las que demuestren su utilidad.
“El experimento de Google es una excelente demostración de progreso en computación cuántica basada en superconducción, pero no debería verse como una prueba de que los ordenadores cuánticos son superiores a los clásicos“.
Para William Oliver, del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y autor de un artículo de opinión que acompaña al estudio en Nature, la demostración “es realmente un logro notable y un hito que recuerda en muchos aspectos a los primeros vuelos de los hermanos Wright. Su avión, el Wright Flyer, no fue el primer vehículo aerotransportado en volar y no resolvió ningún problema urgente de transporte. Tampoco anunció la adopción generalizada de aviones, ni marcó el principio del fin para otros modos de transporte. En cambio, demostró una nueva forma de hacer las cosas: el vuelo autopropulsado de un avión que era más pesado que el aire. Lo que representó, más que lo que logró en la práctica, fue lo más importante. Lo mismo pasa con este primer informe de supremacía cuántica”, asegura.
“Se había cuestionado si algún día se podría controlar en la práctica un ordenador cuántico suficientemente grande”, señala William Oliver en su artículo en Nature. “Los nuevos resultados demuestran la viabilidad de la computación cuántica en un espacio computacional excepcionalmente grande, con un tamaño de por lo menos 10.000 billones de estados cuánticos. Además, sugiere que los ordenadores cuánticos representan un modelo de computación fundamentalmente distinto del de los ordenadores clásicos, lo que abre la vía a avances científicos y tecnológicos aún insospechados”.
Asimismo, el propio Sundar Pichai, CEO de Google, también utilizó la misma analogía en una entrevista para la revista del MIT: “El primer avión voló solo durante 12 segundos, por lo que no hay una aplicación práctica de eso, pero mostró que un avión podía volar”. También comparó el logro con la construcción del primer cohete para salir de la atmósfera de la Tierra y tocar el borde del espacio, un avance que hizo posible el primer viaje interplanetario: “Es el momento ‘hola mundo’ que hemos estado esperando: el hito más significativo hasta la fecha para hacer realidad la computación cuántica”, subraya.
Así pues, la computación cuántica, sería una nueva revolución, pero una a la que, como reconoce el propio equipo de Google, le queda mucho camino por recorrer. Según Sundar Pichai, “tenemos un largo recorrido desde los experimentos del laboratorio de hoy hasta las aplicaciones prácticas de mañana. Pasarán muchos años antes de que podamos implementar un conjunto más amplio de aplicaciones para el mundo real, las cuales, además, no desbancarán a la tecnología digital, sino que serán un gran complemento al trabajo que hacemos (y continuaremos haciendo) en computadoras clásicas”, sostiene.
Fuentes: Wikipedia, Xataka, The New York Times, La Vanguardia, El Mundo y ABC
