Supremacía cuántica

En nuestra experiencia cotidiana, el mundo es 100% mensurable, determinista e independiente del observador. El vaso está sobre la mesa intacto o en el suelo hecho añicos, independientemente de cuándo o incluso si lo mides u observas. Las tres canicas en tu bolsa definitivamente son de color rojo, verde y azul, y no importa cómo agites esa bolsa o por cuánto tiempo, la canica roja permanece roja, la canica verde permanece verde y la canica azul permanece azul. Y si miras esa moneda que de alguna manera cayó en tu mesa de noche hace mucho tiempo, siempre se comportará como si “cara” o “cruz” estuviera mirando hacia arriba, nunca como si fuera parte cara y parte cruz, simultáneamente, a la vez. .

Pero en el Universo cuántico esto no es necesariamente así. Un átomo radiactivo que permanece sin observar existirá en una superposición de estados "descompuestos" y "no descompuestos" hasta que se realice esa medición crítica. Los tres quarks de valencia que componen su protón pueden tener un color definitivo cada vez que los mida, pero se garantiza que el color exacto que observe no será constante en el tiempo. Y si disparas muchos electrones, uno a la vez, a través de una doble rendija y no mides por qué rendija pasa, el patrón que verás indicará que cada electrón pasó por ambas rendijas simultáneamente.

Esta diferencia, entre sistemas clásicos y cuánticos, ha dado lugar a revoluciones tanto científicas como tecnológicas. Un campo que recién ahora está emergiendo es la computación cuántica, que lleva consigo la fascinante noción de supremacía cuántica, pero también genera una gran serie de afirmaciones dudosas y desinformación. A continuación se ofrece una explicación sobre la supremacía cuántica y el estado actual de las computadoras cuánticas para ayudarlo a separar la realidad de la ficción.

Comencemos con una idea que probablemente le resulte familiar: la noción de computadora común y corriente, también conocida como computadora clásica. Aunque las máquinas y dispositivos de cálculo existían desde hacía mucho tiempo, mucho antes del siglo XX, fue Alan Turing quien nos dio la idea moderna de una computadora clásica en la forma de lo que ahora se conoce como máquina de Turing.

La versión simple de una máquina de Turing es que puedes codificar cualquier tipo de información que quieras en bits: o componentes binarios (con solo dos opciones) que, por ejemplo, podrían representarse mediante ceros y unos. Luego puede aplicar una serie de operaciones sucesivas a esos bits (por ejemplo, operaciones como "Y", "O", "NOT" y muchas más) en el orden adecuado para realizar cualquier tipo de cálculo arbitrario que tuviera en mente.

Algunos de esos cálculos serán fáciles de codificar y fáciles de realizar para la computadora: requieren sólo una pequeña cantidad de bits, una pequeña cantidad de operaciones y un tiempo muy corto para calcularlos todos. Otros serán difíciles: difíciles de codificar, computacionalmente costosos para la computadora y potencialmente requerirán una gran cantidad de bits, una gran cantidad de operaciones y largos tiempos de computación. Sin embargo, independientemente del cálculo que desee, si puede diseñar un algoritmo o método para realizar con éxito cualquier tarea computacional, puede programarlo en una computadora clásica. Eventualmente, con el tiempo suficiente, su computadora finalizará el programa y le entregará los resultados.

Sin embargo, existe una diferencia fundamental entre este tipo de "computadora clásica" (que funciona exclusivamente con bits y operaciones clásicas) que acabamos de describir y una "computadora cuántica", donde esta última fue una construcción puramente teórica durante muchas décadas. En lugar de bits normales, que siempre están en un estado que se conoce como “0” o “1” sin excepciones, independientemente de cómo se midan o no, los ordenadores cuánticos utilizan lo que se conoce como qubits, o la tecnología cuántica. análogo de bits.

Si bien los qubits pueden adoptar los mismos valores que los bits clásicos (“0” o “1” en este caso), también pueden hacer cosas como existir en un estado intermedio que es una superposición de “0” y “1” simultáneamente. Pueden estar a medio camino entre 100% “0” y 100% “1” en cualquier cantidad que sume 100% en total, y la cantidad de “0” y la cantidad de “1” que posee un qubit pueden cambian tanto como resultado de las operaciones realizadas en el qubit como también debido a la simple evolución del tiempo.

Pero cuando realmente vas a realizar esa medición crítica de un qubit y le preguntas "en qué estado cuántico se encuentra realmente", siempre verás un "0" o un "1" en tu dispositivo de medición. Nunca verá ese valor intermedio directamente, aunque puede inferir que, basándose en los efectos del qubit en el resultado general del sistema, debe haber sido simultáneamente una mezcla de "0" y "1" mientras se realizaba el cálculo. estaba ocurriendo.

Un qubit es sólo otro ejemplo de lo que llamamos un sistema mecánico cuántico de dos estados: donde sólo se pueden medir dos resultados, pero donde el estado cuántico exacto no se determina definitivamente hasta que se realiza esa medición crítica. Esto se aplica a muchos sistemas de mecánica cuántica, incluidos:

donde cada uno de estos sistemas se comporta como si estuviera en una superposición de ambas posibilidades, hasta que se realizan esas mediciones críticas y se determina definitivamente un estado final como una de las dos posibilidades mensurables.

Los qubits tienen algo muy importante en común con los bits clásicos: siempre que los midas, siempre los verás en uno de dos estados: el estado "0" o el estado "1", sin excepciones ni intermedios. Sin embargo, también tienen una diferencia muy importante: cuando realizas operaciones computacionales en un qubit, el qubit no está en un estado determinado (de “0” o “1”) como lo está un bit clásico, sino que vive en un afirma que es una superposición de "0" y "1", como una versión qubit del gato de Schrödinger. Sólo una vez que se hayan realizado todos los cálculos y se midan los resultados finales, se determinará por completo el estado final de ese qubit: y descubrirá que es "0" o "1".

La diferencia computacional entre un “bit” y un “qubit” es muy parecida a la diferencia de la mecánica cuántica entre un “sistema clásico de dos estados” y un “sistema cuántico de dos estados”, donde aunque solo obtendrás Al final, dos resultados posibles, las probabilidades de obtener el “resultado n.° 1” y el “resultado n.° 2”, obedecen a reglas tremendamente diferentes para el sistema cuántico en comparación con el sistema clásico. Mientras que con un sistema clásico, puedes proporcionar:

y luego obtener una predicción para el estado final de su sistema como resultado, para un sistema de mecánica cuántica, solo puede obtener una distribución de probabilidad como predicción para el estado final de su sistema. En el caso cuántico, sólo realizando el experimento crítico una y otra vez se puede esperar igualar y producir la distribución prevista.

Ahora bien, aquí es donde las cosas se vuelven un poco contradictorias: se podría pensar que las computadoras clásicas son buenas herramientas para resolver problemas clásicos (pero no cuánticos), y que se necesitarían computadoras cuánticas para resolver problemas cuánticos. Sin embargo, resulta que una de las ideas más importantes de la informática, la tesis de Church-Turing, contradice directamente esa noción, al afirmar que cualquier problema que pueda resolverse con una máquina de Turing, utilizando sólo bits y operadores clásicos, puede resolverse. También puede resolverse mediante un dispositivo computacional: es decir, una computadora clásica.

Así como podemos resolver problemas que involucran ondas clásicas con matemáticas clásicas y en computadoras clásicas, podemos resolver problemas que involucran ondas mecánicas cuánticas de la misma manera. El dispositivo computacional es irrelevante: ya sea una calculadora, una computadora portátil, un teléfono inteligente, una supercomputadora o incluso una computadora cuántica (que también puede resolver problemas clásicos), un problema que podría resolverse con una máquina de Turing puede resolverse con cualquiera de estas computadoras. .

Sin embargo, eso no significa que todos los métodos para resolver problemas sean igualmente eficientes. En particular, podría imaginarse intentar simular un sistema inherentemente mecánico cuántico, utilizando no solo qubits en lugar de bits normales, sino también operadores inherentemente cuánticos (o su equivalente computacional, puertas cuánticas), donde el uso de una computadora cuántica podría brindarle una tremenda ventaja. en eficiencia, velocidad y tiempo de cálculo en comparación con una computadora clásica.

Una extensión muy controvertida de la tesis de Church-Turing (llamada creativamente tesis ampliada de Church-Turing) básicamente afirma que no se puede hacer esto. En cambio, afirma que una máquina de Turing siempre puede simular eficientemente cualquier modelo computacional, incluso un modelo computacional que sea en gran medida (o incluso completamente) cuántico por naturaleza.

Ese es el quid de la idea detrás de Quantum Supremacy y la idea relacionada de Quantum Advantage. (Aunque algunos usan estos términos como sinónimos, hay una distinción importante que se está volviendo cada vez más común).

La supremacía cuántica, según esta definición, se logró (probablemente) por primera vez entre 2017 y 2019, pero Quantum Advantage todavía parece estar muy lejos, con varias advertencias importantes.

En primer lugar, las limitaciones actuales del poder de la computación cuántica vienen determinadas por dos factores:

Por lo tanto, si desea lograr la Supremacía Cuántica (o su primo más ambicioso, la Ventaja Cuántica), querrá diseñar un problema computacional (o un problema computacional útil) que requiera solo una pequeña cantidad de qubits y que tenga todos los elementos necesarios. Los cálculos pueden ocurrir en un corto tiempo en relación con el tiempo de coherencia de los qubits involucrados.

En 2019, un equipo de Google demostró Quantum Supremacy para un problema muy específico: un problema sin utilidad en el mundo real que fue diseñado específicamente para ser extremadamente difícil de simular en una computadora clásica, pero que sería fácil para una computadora cuántica. . Aunque algunos todavía argumentan que un mejor algoritmo clásico eventualmente permitirá que este problema, y ​​otros similares, se resuelvan rápidamente en una computadora clásica, tales argumentos carecen de cualquier margen de mejora demostrable al que señalar.

Desafortunadamente, todavía estamos muy lejos de resolver cualquier problema útil mucho más rápido en una computadora cuántica que con una computadora clásica. El año pasado apareció un informe en Nature de que se había codificado un agujero de gusano transitable en un procesador cuántico y cuya dinámica se había demostrado utilizando sólo nueve qubits lógicos: una supuesta demostración de la ventaja cuántica. Un análisis más detallado ha revelado que todo el esfuerzo de investigación fue fundamentalmente defectuoso, por lo que hay que volver a la mesa de dibujo en lo que respecta a Quantum Advantage.

Casi todas las tareas prácticas que puedas imaginar tienen poco potencial para Quantum Advantage, y las computadoras clásicas funcionan mucho mejor en la mayoría de los casos. Por ejemplo, digamos que tienes un número semiprimo de 20 dígitos (un número que es el producto de dos primos): no existe ninguna computadora cuántica que pueda resolver este problema, mientras que tu computadora portátil estándar puede lograrlo en cuestión de segundos. de milisegundos.

Sin embargo, se siguen produciendo mejoras incrementales, con un nuevo algoritmo de factorización cuántica más eficiente que ofrece una posible aceleración con respecto al uso exclusivo de computadoras clásicas, y un novedoso protocolo de corrección de errores cuánticos que ofrece el potencial de preservar 12 qubits lógicos para el síndrome de 10 millones. ciclos (una medida de la corrección de errores necesaria) con solo 288 qubits físicos, en lugar de la necesidad actual de más de 4000 qubits físicos utilizando el protocolo de corrección de errores estándar (código de superficie). Algún día, la combinación acumulativa de estos y otros avances conducirá a la primera demostración sólida de Quantum Advantage en un sistema útil y práctico.

El objetivo final de las computadoras cuánticas, al menos a corto plazo, es simular sistemas cuánticos cuya simulación clásica es computacionalmente costosa. Ahí es donde se espera que surja la primera aplicación práctica de Quantum Advantage, y nadie sabe si el campo de:

Será el primero en aprovechar los beneficios prácticos de las computadoras cuánticas. Con un mayor número de qubits superconductores, tiempos de coherencia más largos para esos qubits y una corrección de errores superior esperada en el horizonte, el poder computacional de las computadoras cuánticas (incluido el número de qubits lógicos que pueden usarse para el cálculo) está aumentando constantemente. Con el tiempo, los primeros problemas prácticos del mundo real que son computacionalmente costosos para las computadoras clásicas se resolverán, rápida y eficientemente, mediante computadoras cuánticas.

Pero nadie debería hacerse la ilusión de que las computadoras cuánticas algún día reemplazarán a las clásicas para la mayoría de las aplicaciones, o que lograr la supremacía cuántica significa que la computación cuántica útil ya ha llegado. En cambio, deberíamos esperar que nuestro futuro sea computacionalmente híbrido: donde las computadoras clásicas sean la raíz de la mayoría de nuestras necesidades computacionales y sean aumentadas por computadoras cuánticas en aquellos campos donde se puede lograr Quantum Advantage.

Aun así, así como hay muchos fenómenos físicos importantes que no pueden explicarse mediante las teorías clásicas de Newton, Maxwell o Einstein, hay muchos problemas computacionales importantes que esperan el desarrollo de computadoras cuánticas superiores. Con la Supremacía Cuántica ya lograda y la Ventaja Cuántica más práctica en camino, tenemos mucho que esperar en lo que respecta a la computación cuántica, pero también mucha publicidad (y muchas afirmaciones falsas) de las que debemos desconfiar al mismo tiempo.