¿Están sobrevaloradas las computadoras cuánticas?
Un nuevo estudio en Nature dice que no. Un dispositivo cuántico ingeniosamente diseñado desarrollado por Xanadu, una empresa con sede en Toronto, Canadá, destruyó las computadoras convencionales en una tarea de referencia que de otro modo llevaría más de 9.000 años.
Para el chip cuántico Borealis, las respuestas llegaron en 36 microsegundos .
El logro de Xanadu es el último en demostrar el poder de la computación cuántica sobre las computadoras convencionales, una idea aparentemente simple denominada ventaja cuántica.
Teóricamente, el concepto tiene sentido. A diferencia de las computadoras convencionales, que calculan en secuencia usando bits binarios (0 o 1), los dispositivos cuánticos aprovechan la rareza del mundo cuántico, donde 0 y 1 pueden existir al mismo tiempo con diferentes probabilidades. Los datos se procesan en qubits, una unidad sin compromiso que realiza simultáneamente múltiples cálculos gracias a su física única.
¿Traducción? Una computadora cuántica es como una multitarea hipereficiente, mientras que las computadoras convencionales son mucho más lineales. Cuando se le presenta el mismo problema, una computadora cuántica debería ser capaz de derrotar a cualquier supercomputadora en cualquier problema en términos de velocidad y eficiencia. La idea, denominada “supremacía cuántica”, ha sido la fuerza impulsora para impulsar una nueva generación de computadoras completamente ajenas a todo lo que se hizo anteriormente.
¿El problema? Probar la supremacía cuántica es extremadamente difícil. A medida que los dispositivos cuánticos abandonan cada vez más el laboratorio para resolver más problemas del mundo real, los científicos adoptan un punto de referencia intermedio: la ventaja cuántica, que es la idea de que una computadora cuántica puede vencer a una convencional en una sola tarea, cualquier tarea.
En 2019, Google rompió Internet mostrando el primer ejemplo de una computadora cuántica, Sycamore, que resolvió un problema computacional en solo 200 segundos con 54 qubits, en comparación con la estimación de 10,000 años de una supercomputadora convencional. Un equipo chino pronto siguió con un segundo escaparate fascinante de la ventaja computacional cuántica, con la máquina arrojando respuestas que le llevarían a una supercomputadora más de dos mil millones de años.
Sin embargo, queda una pregunta crucial: ¿alguno de estos dispositivos cuánticos está siquiera cerca de estar listo para un uso práctico?
Un rediseño drástico
Es fácil olvidar que las computadoras se basan en la física. Nuestro sistema actual, por ejemplo, utiliza electrones y chips ingeniosamente diseñados para realizar sus funciones. Las computadoras cuánticas son similares, pero se basan en una física de partículas alternativa. Las generaciones iniciales de máquinas cuánticas parecían candelabros delicados y relucientes. Si bien son absolutamente hermosos, en comparación con un chip de teléfono inteligente compacto, también son completamente poco prácticos. El hardware a menudo requiere climas estrictamente controlados, por ejemplo, una temperatura cercana al cero absoluto, para reducir la interferencia y aumentar la eficacia de la computadora.
El concepto central de la computación cuántica es el mismo: los qubits procesan datos en superposición, una peculiaridad de la física cuántica que les permite codificar 0, 1 o ambos al mismo tiempo. El hardware que apoya la idea difiere enormemente.
Sycamore de Google, por ejemplo, utiliza bucles metálicos superconductores, una configuración popular entre otros gigantes tecnológicos, incluida IBM, que presentó Eagle, un potente chip cuántico de 127 qubits en 2021 que tiene aproximadamente el tamaño de una moneda de veinticinco centavos. Otras iteraciones de compañías como Honeywell e IonQ adoptaron un enfoque diferente, aprovechando los iones (átomos con uno o más electrones eliminados) como su fuente principal para la computación cuántica.
Otra idea se basa en fotones o partículas de luz. Ya se ha demostrado su utilidad: la demostración china de la ventaja cuántica, por ejemplo, utilizó un dispositivo fotónico. Pero la idea también ha sido rechazada como un mero trampolín hacia la computación cuántica en lugar de una solución práctica, en gran parte debido a las dificultades de ingeniería y configuración.
Una revolución fotónica
El equipo de Xanadu demostró que los detractores estaban equivocados. El nuevo chip, Borealis, es marginalmente similar al del estudio chino en el sentido de que utiliza fotones, en lugar de materiales superconductores o iones, para la computación.
Pero tiene una gran ventaja: es programable. “Los experimentos anteriores generalmente se basaban en redes estáticas, en las que cada componente se fija una vez fabricado”, explicó el Dr. Daniel Jost Brod de la Universidad Federal Fluminense de Río de Janeiro en Brasil, que no participó en el estudio. La demostración anterior de la ventaja cuántica en el estudio chino utilizó un chip estático. Sin embargo, con Borealis, los elementos ópticos “pueden programarse fácilmente”, lo que lo convierte en un dispositivo menos de un solo uso y más en una computadora real potencialmente capaz de resolver múltiples problemas. (El patio de juegos cuántico está disponible en la nube para que cualquiera pueda experimentar y explorar una vez que se registre).
La flexibilidad del chip proviene de una ingeniosa actualización de diseño, un “esquema innovador [que] ofrece un control impresionante y potencial para escalar”, dijo Brod.
El equipo se concentró en un problema llamado muestreo de bosones gaussianos , un punto de referencia para evaluar la destreza de la computación cuántica. La prueba, aunque es extraordinariamente difícil desde el punto de vista computacional, no tiene mucho impacto en los problemas del mundo real. Sin embargo, al igual que el ajedrez o Go para medir el rendimiento de la IA, actúa como un juez imparcial para examinar el rendimiento de la computación cuántica. Es una especie de “estándar de oro”: “El muestreo de bosones gaussianos es un esquema diseñado para demostrar las ventajas de los dispositivos cuánticos sobre las computadoras clásicas”, explicó Brod.
La configuración es como una tienda de espejos de carnaval en una película de terror. Los estados especiales de luz (y fotones), divertidos llamados ” estados comprimidos”, se canalizan en el chip integrado con una red de divisores de haz. Cada divisor de haz actúa como un espejo semirreflectante: dependiendo de cómo incide la luz, se divide en varias hijas, algunas se reflejan y otras pasan. Al final del artilugio hay una serie de detectores de fotones. Cuantos más divisores de haz, más difícil es calcular cómo un fotón individual terminará en un detector determinado.
Como otra visualización: imagine una máquina de frijoles, un tablero con clavijas revestido de vidrio. Para jugar, dejas caer un disco en las clavijas en la parte superior. A medida que el disco cae, golpea aleatoriamente diferentes clavijas y finalmente aterriza en una ranura numerada.
El muestreo de bosones gaussianos reemplaza los discos con fotones, con el objetivo de detectar qué fotón aterriza en qué ranura del detector. Debido a las propiedades cuánticas, las posibles distribuciones resultantes crecen exponencialmente, superando rápidamente cualquier potencia de supercomputadora. Es un punto de referencia excelente, explicó Brod, en gran parte porque entendemos la física subyacente, y la configuración sugiere que incluso unos pocos cientos de fotones pueden desafiar a las supercomputadoras.
Aceptando el desafío, el nuevo estudio reinventó un dispositivo cuántico fotónico con unos admirables 216 qubits. En contradicción con los diseños clásicos, el dispositivo calculó los fotones en intervalos de tiempo de llegada en lugar del estándar de dirección anterior. El truco consistía en introducir bucles de fibras ópticas para retrasar los fotones para que pudieran interferir en puntos específicos importantes para la computación cuántica.
Estos ajustes llevaron a un dispositivo muy reducido. La gran red habitual de divisores de haz, normalmente necesarios para las comunicaciones de fotones, se puede reducir a solo tres para adaptarse a todos los retrasos necesarios para que los fotones interactúen y calculen la tarea. Los diseños de bucle, junto con otros componentes, también son “fácilmente programables” en el sentido de que un divisor de haz se puede ajustar en tiempo real, como editar código de computadora, pero a nivel de hardware.
El equipo también superó una verificación de cordura estándar, certificando que los datos de salida eran correctos.
Por ahora, los estudios que muestran de manera confiable la supremacía cuántica siguen siendo escasos. Las computadoras convencionales tienen una ventaja de medio siglo. A medida que los algoritmos siguen evolucionando en las computadoras convencionales, especialmente aquellas que aprovechan los potentes chips centrados en la IA o los diseños de computación neuromórfica , es posible que incluso superen fácilmente a los dispositivos cuánticos, dejándolos luchando por ponerse al día.
Pero esa es la diversión de la persecución. “La ventaja cuántica no es un umbral bien definido, basado en una sola figura de mérito. Y a medida que se desarrollen los experimentos, también lo harán las técnicas para simularlos; podemos esperar que los dispositivos cuánticos y los algoritmos clásicos establezcan récords en el futuro cercano y se turnen para desafiarse entre sí por el primer puesto”, dijo Brod.
“Puede que no sea el final de la historia”, continuó. Pero el nuevo estudio “es un salto adelante para la física cuántica en esta carrera”.
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