Bienvenidos a la era cuántica
En un artículo de 2012, John Preskill, físico teórico, planteó la siguiente pregunta: "¿La evolución de los sistemas cuánticos a gran escala es simplemente muy, muy difícil o es ridículamente difícil?" Siete años después tenemos la respuesta: es muy, muy difícil.
Recientemente, un trabajo de investigación sobre el tema apareció en línea por muy poco tiempo y de manera fortuita. "Nature", una revista científica de alto nivel, había accedido a publicar el artículo que, sin embargo, en el momento de la publicación temporal todavía era confidencial.
El periódico reveló que Google ha logrado lo que Preskill llamó "supremacía cuántica". Usando una computadora cuántica, los investigadores del gigante de Internet realizaron un cálculo en tres minutos que habría requerido Summit, la supercomputadora de IBM actual más poderosa del mundo, 10.000 años de procesamiento.
Una expresión definitiva de la supremacía cuántica. Existe consenso en que este documento confidencial realmente representa un hito en la historia de la tecnología.
Podría ser un punto de inflexión entre dos eras: un "antes", cuando se confiaba en que las computadoras cuánticas superarían a las de silicio, y un "después", cuando esto realmente sucedió. Hasta ahora se ha hablado mucho de la segunda era. ahora ha llegado
Todo un salto adelante
El experimento de Google consistió en realizar el "muestreo del circuito". la prueba verifica si el procesamiento realizado por la máquina, a partir de entradas aleatorias, puede adaptarse a un modelo específico.
Esta tarea bastante extraña se eligió para adaptarse a las características específicas de una computadora cuántica, pero también para comparar el mismo procesamiento en una computadora clásica.
Un experimento de poca relevancia práctica, incluso si existe la creencia generalizada de que las computadoras cuánticas, con el tiempo, podrían manejar asuntos de importancia práctica y más normales para la vida de la gente común.
Estos podrían estar relacionados con el diseño de nuevos medicamentos y materiales o el aprendizaje automático. Además, podrían dejar obsoletos los códigos criptográficos que, hoy en día, protegen los secretos del mundo.
De bits a qubits
Las computadoras cuánticas emplean tres conceptos. Uno es la "superposición cuántica", es decir, la idea detrás del famoso gato vivo y muerto de Schrödinger. A diferencia de los bits clásicos, que solo pueden tener dos estados, uno o cero, los qubits pueden ser una combinación de ambos.
La máquina de Google, por ejemplo, tiene 53 qubits, que entre ellos pueden representar casi diez millones de posibles estados superpuestos.
El segundo es el "enredo". Une partículas cuánticas a través del tiempo y el espacio. En las computadoras estándar, cada bit está estrictamente relacionado con el estado del siguiente.
Los qubits en la computación cuántica están altamente entrelazados. Las operaciones matemáticas sobre qubits superpuestos y entrelazados pueden actuar simultáneamente, en mayor o menor medida, sobre todos los qubits en un solo proceso computacional.
Cómo funciona una computadora cuántica
Una computación cuántica comienza acercándose a los qubits uno por uno. Para simplificar tanto como sea posible, se puede decir que hace que un qubit sea uno o cero, y luego lo cruza con su vecino. Una vez hecho esto, deja que las reglas de la física cuántica funcionen con los estados y enlaces de los qubits que evolucionan con el tiempo.
Finalmente (pero no antes, ya que arruinaría el cálculo), los qubits se examinan simultáneamente en busca de una respuesta.
El trabajo principal es identificar la respuesta correcta entre mil millones de respuestas incorrectas. Aquí es donde entra en juego la tercera idea, la contraintuitiva.
En la física clásica, las probabilidades deben expresarse en números positivos. Digamos que hay un 30% de posibilidades de lluvia. La mecánica cuántica utiliza un concepto relacionado llamado "amplitudes". Estos pueden ser tanto negativos como positivos.
Tienes que hacer que las amplitudes que representan las respuestas incorrectas se anulen entre sí, mientras emergen las que representan las respuestas correctas. De esta forma, los desarrolladores pueden acercarse con una aproximación aceptable a la solución correcta.
En el laboratorio es más complejo.
Esta es la explicación que se encuentra en los libros de texto. En el laboratorio, las cosas se complican más. Las superposiciones cuánticas y las correlaciones cuánticas son fenómenos extremadamente delicados.
Por ejemplo, el movimiento ondulatorio de moléculas adyacentes puede interrumpirlas y dificultar el cálculo.
La mayoría de los proyectos desarrollados en computadoras cuánticas requieren que las máquinas se mantengan a temperaturas más bajas que las del espacio exterior y que se alojen en habitaciones especiales.
También se necesita mucho personal especializado para realizar un seguimiento de los procesos de procesamiento.
El problema de la detección de errores
Sin embargo, ni la habilidad extrema de los científicos ni las condiciones ideales del laboratorio pueden evitar que ocurran errores.
El mayor problema al que se enfrentan los científicos cuánticos es encontrar y corregir errores en la informática. Como dijimos, desarrollar aplicaciones prácticas con computación cuántica requiere mucho, mucho más procesamiento que los dispositivos tradicionales. A esta escala, el riesgo de errores aumenta considerablemente.
Este estado de cosas ha llevado a las grandes empresas de la industria informática, como IBM, Intel y Microsoft, ya las mentes más brillantes, como Chad Rigetti, a construir kits de desarrollo cada vez mejores y menos defectuosos.
Algoritmos eficientes
Paralelamente a esta carrera por construir mejores máquinas, se encuentra la carrera por desarrollar algoritmos cuánticos eficientes. El caso más conocido hasta ahora es probablemente el algoritmo de factorización ideado por Peter Shor en 1994 en Bell Labs.
Shor ha desarrollado un algoritmo matemático con un turbocargador cuántico que permite la factorización rápida de números enteros en sus componentes primos.
Algo que asusta a los criptógrafos, un grupo de científicos cuyo valor se aprecia en relación a la dificultad de realizar lo que hace el algoritmo de Shor.
Pero si las computadoras cuánticas realmente van a lograrlo, entonces se necesitan nuevos algoritmos. El desarrollo de dichos algoritmos se verá facilitado por el hecho de que muchas de las aplicaciones prácticas (diseño de fármacos, materiales, etc.) dependen en sí mismas de procesos cuánticos.
Esta, de hecho, es también la razón por la que ha sido difícil desarrollar este tipo de aplicaciones hasta ahora.
¿Pocos dispositivos?
A pesar de la promesa de la computación cuántica, muchos investigadores en el campo se sienten incómodos con la frase "supremacía cuántica". Me siento incómodo porque el advenimiento de la supremacía cuántica implica un punto de inflexión que, una vez cruzado, envía décadas de computación aplicada al desván en nombre de algo extraño y sorprendente.
Y es que, a pesar del "antes" y el "después" que determina el documento de Google, construir dispositivos cuánticos eficientes para tener aplicaciones prácticas no será un camino fácil.
la mayoría de la gente piensa que es un juego de azar predecir que la computación cuántica reemplazará a la computación clásica. Los aspectos prácticos relacionados con el funcionamiento de los ordenadores cuánticos a muy bajas temperaturas son un ejemplo.
Los gobiernos, las grandes corporaciones y las universidades más ricas, sin duda, tendrán sus propios autos. Otros alquilarán tiempo en dispositivos conectados a versiones cuánticas de la nube. En cualquier caso, el número total de ordenadores cuánticos será limitado.
Y es bueno que lo sea. En cualquier caso, podemos tener cierto escepticismo sobre esta predicción, recordando los inicios de la computación clásica que era cosa de elegidos. En 1943, Thomas Watson, entonces jefe de IBM, declaró: "Creo que puede haber un mercado mundial para, quizás, cinco computadoras". Predicción incorrecta de algún factor, tal vez mil millones de factores.
De The Economist del 26 de septiembre de 2019
