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Gif: Dream Mussell, por Lorna Mills (Publicado con permiso del autor)

Cualquier día de estos, las computadoras cuánticas resolverán un problema demasiado difícil para que lo haga una computadora clásica. O al menos, eso es lo que esperamos. Científicos y empresas compiten por alcanzar ese hito informático que ya tiene un nombre peculiar: supremacía cuántica.

Aparentemente, ese hito está al alcance de nuestra mano,pero si has estado siguiendo la historia de la computación cuántica, es posible que te estés preguntando: ¿por qué aún no lo hemos conseguido después de todo el bombo que se le ha dado?

La respuesta corta es que controlar las propiedades cuánticas de las partículas es algo muy difícil. Incluso aunque pudiéramos usarlas para calcular, es posible que no se pueda comparar con la computación convencional en los mismos términos. Supremacía cuántica es un concepto engañoso. La primera demostración de esa supremacía será casi seguro un problema artificial que no tendrá ningún uso práctico para el consumidor. No obstante, será un hito crucial que nos permitirá por fin comparar ambas tecnologías y averiguar qué es lo que realmente pueden hacer.

¿Qué es lo que nos separa del futuro? John Preskill, profesor de física teórica en el Instituto de Tecnología de California y la persona que acuñó el término supremacía cuántica responde así a esa pregunta:

Antes de preguntarte cuando llegará ese mundo deberíamos preguntarnos qué es una computadora cuántica, o algo incluso más básico: ¿qué es una computadora?

Las computadoras son dispositivos que procesan datos y los almacenan como entradas que pueden manipular mediante un sistema de instrucciones y algoritmos matemáticos. Esas entradas se llaman bits. Un bit puede tener dos valores: cero o uno. Es como una moneda La manipulación de millones de estos dispositivos binarios simultáneamente es lo que crea diferentes probabilidades y permite a los sistemas que los procesan realizar cálculos y operaciones hasta dar con el resultado deseado.

En las computadoras cuánticas, los algoritmos tienen un tipo diferente de arquitectura; en lugar de bits, usan qubits, que son bits que obedecen las extrañas reglas de la mecánica cuántica. (Si lo prefieres, puedes ver esto resumido en el vídeo que hay a continuación. Si prefieres leer, sigue adelante)

Cada qubit es como una moneda a la que hemos añadido un peso que permite ajustar la probabilidad de salga una de las dos caras. Realizar un cálculo cuántico es como tirar las monedas al aire, pero cada una de ellas es susceptible de ser modificada, y por tanto debe tratarse como un dado de múltiples caras con su propio conjunto de probabilidades. La computación cuántica conecta cada dado a una puerta lógica, lo que introduce interferencias que modifican aún más las probabilidades de que salga una cara u otra. Lo que hacen las aplicaciones cuánticas es mapear la información de cada lado, y a menudo requiere varias tiradas para lograr resultados interesantes.

La carrera por el PC Cuántico

Los científicos y las compañías tecnológicas están interesados en las computadoras cuánticas tanto por su interés científico innato como por el impacto que podrían tener en campos como la inteligencia artificial, la ciberseguridad, o los servicios médicos. La idea es que hay algoritmos que funcionarían mucho más rápido bajo una arquitectura cuántica que con una computadora clásica. El algoritmo de Shor, por ejemplo sirve para factorizar números extremadamente grandes. Un algoritmo que pueda hacer eso rápidamente es de vital importancia porque la mayoría de técnicas de cifrado actual se basan en la premisa de que las computadoras clásicas pueden multiplicar fácilmente dos números, pero tardan un tiempo irrazonablemente largo en calcularlos de vuelta. Una computadora cuántica que pueda ejecutar el algoritmo de Shor simplemente haría que todo nuestro cifrado actual quedara obsoleto.

Otros esperan que las computadoras cuánticas se puedan usar para crear redes neuronales cuánticas que den soporte a la inteligencia artificial. Esa inteligencia permitirá resolver problemas de química, o ayudar a encontrar nuevos medicamentos para curar enfermedades.

Todo eso está muy bien, pero para que una computadora cuántica sea realmente emocionante, necesita ser mejor que las computadoras comunes a la hora de realizar la misma tarea. Las cifras venden muy bien y poder decir que el nuevo procesador cuántico es XX veces más rápido que el que tienes en casa es importante. Es por eso que científicos y empresas, como Google consideran la supremacía cuántica como un hito clave para esta tecnología.

Hasta ahora, las propuestas de los físicos teóricos para demostrar la supremacía cuántica generalmente siguen la misma premisa. Se crea un complicado circuito cuántico, se le pone a trabajar de forma aleatoria, y se miden los valores resultantes. Después se aplica un test estadístico para asegurarse de que el experimento se realizó correctamente. Básicamente, la idea es demostrar que a medida que el problema aumenta en complejidad, la cantidad de tiempo que tarda una computadora clásica en calcularlo aumenta a un ritmo mucho mayor que en una computadora cuántica. La computadora cuántica resuelve el mismo problema en menos tiempo.

Detalle de una de las primeros computadoras cuánticas.
Foto: D-Wave

Desde un punto de vista empresarial, la tarea resulta un poco vana. ¡Vale! Resuelve problemas más rápido, pero eso no es algo con lo que puedas curar enfermedades. Sin embargo, si lo miramos desde una perspectiva teórica, es importantísimo

La tésis de Church-Turing

Bill Fefferman, profesor en la Universidad de Maryland e investigador en el National Institute of Standards and Technology, explica que existe una hipótesis llamada tesis de Church-Turing que postula que cualquier algoritmo informático se puede resolver mediante una máquina de Turing. La máquina de turing es una computadora diseñada por el matemático Alan Turing en 1936. El dispositivo manipula símbolos sobre una tira de cinta de acuerdo a una tabla de reglas. Solo existe en teoría, pero es tan adaptable que puede usarse para resolver cualquier algoritmo. La tesis extendida de Church-Turing añade que ningún modelo práctico de computación podría resolver tareas significativamente más rápido que una de estas máquinas de Turing.

Los científicos en computación teórica proporcionaron a principios de los noventa pruebas sólidas de que la tesis extendida de Church-Turing estaba equivocada. Una máquina que lograse la supremacía cuántica proporcionaría pruebas tangibles contra la tesis, demostrando que realmente hay problemasnde una supercomputadora sería menos eficiente que una computadora cuántica con una arquitectura diferente.

La supremacía cuántica, desde una perspectiva científica, es la llave que dará a los científicos una forma de determinar para qué serán útiles o no las computadoras cuánticas, y para compararlas con las computadoras clásicas. Hasta principios de la década de 1990, los científicos teóricos de la computación han propuesto problemas idóneos para computadoras cuánticas. Tareas hechas a medida, por decirlo de otra manera. Las tareas realmente útiles, como el algoritmo de Shor, llegaron años más tarde.

Suena a gasto inútil, pero Fefferman se muestra tajante: “No se puede pensar en esto como un gasto de miles de millones de dólares para implementar un problema artificial. Primero debemos construir los cimientos.” Tampoco es intrínsecamente inútil. El experimento puede convertir a las computadoras cuánticas en generadores de números aleatorios muy útiles, para la criptografía, en juegos de azar, o simulaciones.

El largo camino hacia la supremacía

Pero, ¿cómo se alcanza realmente ese hito? Google ha reclutado la ayuda de la NASA. Entre ambos están construyendo y probando un chip con lo que esperan que sea suficiente para demostrar la supremacía cuántica. Mientras tanto, otros investigadores que estudian los mismos problemas de supremacía cuántica en computadoras clásicas para poder comparar. Finalmente se trabaja en teoría computacional para asegurar que la prueba de que se logró la supremacía es realmente rigurosa.

Con los considerables recursos y las mentes de la NASA, Google, o IBM se diría que les está tomando demasiado tiempo. Por ahora, los dispositivos cuánticos comerciales más grandes tienen alrededor de 20 qubits, aunque IBM, Google e IonQ están probando dispositivos de 50, 72 y hasta 160 qubit.

Construir y operar una computadora cuántica es difícil. En lugar de transistores de silicio en microchips, los científicos deben crear dispositivos a partir de láseres que atrapan átomos individuales, y materiales superconductores que conducen la corriente sin resistencia para demostrar propiedades cuánticas manipulables. Esto requiere mantener las partículas del procesador y sus cables internos casi en cero absoluto. Controlar este sistema resulta increíblemente difícil, ya que una cantidad mínima de energía exterior puede hacer que los qubits se colapsen en bits inútiles (y muy caros).

Interior del superordenador D-Wave 1 con 128 Qubits
Foto: D-Wave

En estos sistemas limitados, los investigadores solo pueden realizar un puñado de operaciones cuánticas antes de que se colapse el estado cuántico. Entrelazar demasiados qubits también hace que el sistema colapse. Cada qubit adicional multiplica por dos la complejidad de la máquina.

Al mismo tiempo, los científicos de la computación cuántica tienen que vencer a las computadoras clásicas que simulan las computadoras cuánticas. Es preciso tener en cuenta cada posible solución que pueda idear una persona que programe una computadora clásica, lo cual es aún más difícil de hacer. Finalmente está la posibilidad de que haya que verificar de alguna manera el resultado que calculó la computadora cuántica cuando ese mismo resultado es imposible de hacer para una computadora convencional.

“Apuesto a que alguien va a dar con la supremacía cuántica pronto”, proclama Graeme Smith, profesor asistente de la Universidad de Colorado en Boulder. “Pero el día que eso ocurra habrá muchas preguntas sobre si realmente lo lograron debido a que es muy difícil de verificar.”

Ventaja cuántica frente a supremacía cuántica

Los científicos de IBM trabajan en una tarea tal vez más fácil de lograr. Están tratando de demostrar la ventaja cuántica. La diferencia es sutil. La supremacía cuántica significa que una computadora cuántica puede realizar cálculos que una computadora clásica no puede hacer en un tiempo razonable.

La ventaja cuántica significa que la computadora cuántica puede superar a la computadora clásica en algún cálculo. Algunos investigadores han ideado pruebas matemáticas de casos en los que las computadoras cuánticas son siempre mejores que las computadoras clásicas que ejecutan el mismo algoritmo. El problema es que en estos casos, la computadora clásica recibió una limitación similar a una de las limitaciones actuales de las computadoras cuánticas: solo podía realizar algunas operaciones a la vez, para emular a los qubit, que solo puede realizar algunas operaciones hasta que colapsan.

Sin embargo, la ventaja cuántica tiene un punto a favor sobre la supremacía cuántica. La supremacía cuántica es un objetivo muy difícil a alcanzar, pero si la industria solo busca un algoritmo más rápido, las ventajas cuánticas podrían hacer que las computadoras cuánticas tengan un uso más general en la industria antes.

Para empresas como Google e IBM, estos términos se mezclan con una gran dosis de relaciones públicas. Aram Harrow, profesor asociado de física en el MIT explica: “Ambos intentan construir computadoras cuánticas programables. Google dirá que el objetivo es la supremacía, IBM dirá que el objetivo es la ventaja. Al final no va a haber a una gran diferencia en el hardware que se construya”.

Todo seguirá igual (por un tiempo)

Cuando una empresa de las que construyen una computadora cuántica anuncie que ha alcanzado la “supremacía cuántica” o la “ventaja cuántica”, no supondrá un cambio radical para la industria. Todavía serán dispositivos relativamente propensos a errores y de poca potencia. Los investigadores denominan a estas computadoras máquinas NISQ (máquinas cuánticas ruidosas de escala intermedia). Estas máquinas aún enfrentarán las mismas limitaciones que tenían antes de que existiera un dispositivo de supremacía o ventaja, como la breve cantidad de tiempo que los qubits pueden permanecer entrelazados o el número menor de cálculos que un qubit puede hacer antes de perder su naturaleza cuántica.

“La supremacía cuántica es un escalón para que avancemos a fin de resolver problemas más interesantes”, dijo a Gizmodo Mekena Metcalf, investigadora postdoctoral en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Para que las computadoras cuánticas se conviertan en los dispositivos de hackeo de código y simulación de moléculas del futuro, existen objetivos específicos en el horizonte. “Hacen falta muchísimos más qubits y profundidad de compuerta larga”, explica Metcalf. En otras palabras, se necesitan más qubits que pueden hacer más cálculos antes de perder su comportamiento cuántico.

Alcanzar ese estado requerirá de mejor hardware, incluida una óptica más precisa para las computadoras cuánticas basadas en átomos atrapados por láser”, dijo a Gizmodo Sara Mouradian, investigadora postdoctoral en UC Berkeley. Quienes trabajan en computadoras cuánticas superconductoras esperan ver mejoras en los cables y un mejor control en general. Ambos sistemas necesitarán encontrar formas de aumentar enormemente la escala y el tamaño, lo que no es tan fácil como agregar más ladrillos a una torre de Lego. Las computadoras cuánticas también requerirán de corrección de errores, y de almacenamiento de la información de un solo qubit a través de múltiples qubits físicos entrelazados para corregir posibles errores.

Los dispositivos de la era NISQ aún son herramientas que prueban los límites de la física cuántica. Tal vez encuentren aplicaciones útiles en el corto plazo, ya sea demostrando “supremacía cuántica”, “ventaja cuántica” o simplemente “utilidad cuántica”. También hay muchos otros dispositivos cuánticos en funcionamiento, como sensores y herramientas criptográficas, que podrían encontrar aplicaciones mucho antes.

Si debemos contestar la pregunta inicial: sí, es de esperar que los científicos demuestren la supremacía cuántica (o ventaja) y encuentren pronto aplicaciones informáticas cuánticas útiles. Preskill pone el dedo en la llaga con cuál es el problema real de la computación cuántica:

El mayor reto que se cierne sobre el campo, particularmente en el lado comercial, es que todas las compañías están invirtiendo y construyendo sistemas, pero si no pueden encontrar una aplicación útil en 10 años, ¿qué sucede entonces? ¿Se producirá un colapso cuántico porque los que financian sentirán que no se ha alcanzado el potencial prometido?

Al menos por ahora, gobiernos como el de los Estados Unidos han aprobado planes que inyectan dinero en este sector para capacitar a más científicos y transferir conocimientos a la industria. .

La supremacía cuántica está en el horizonte, y su búsqueda continúa impulsando el progreso científico de formas fundamentales y profundas. Pero probar la supremacía cuántica para un problema no acercará las computadoras cuánticas a nuestro escritorio. Hay muchas incertidumbres en el campo, especialmente cuando se trata de su potencial a corto plazo.

Las computadoras cuánticas son el ejemplo perfecto de por qué a veces la ciencia y la tecnología tienen objetivos diferentes y proporcionan dos formas de entender las cosas muy diferentes. La tecnología puede verse como un camino sin fin hacia un producto mejor. La ciencia es más lenta, impredecible y, a menudo, mucho más rigurosa. Requiere que las personas cubran todas las bases para comprender cómo funcionan realmente estos nuevos dispositivos innovadores antes de que podamos afirmar que las computadoras cuánticas son realmente superiores.

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