Are quantum computers overhyped?

Un nuevo estudio enNaturaleza dice que no. Un dispositivo cuántico ingeniosamente diseñado y desarrollado por Xanadu, una empresa con sede en Toronto (Canadá), ha superado a los ordenadores convencionales en una tarea de referencia que, de otro modo, llevaría más de 9.000 años.

En el caso del chip cuántico Borealis, las respuestas llegaron a 36microsegundos.

El logro de Xanadú es el último en demostrar el poder de la cuántica informática sobre los ordenadores convencionales, una idea aparentemente sencilla denominada ventaja cuántica.

En teoría, el concepto tiene sentido. A diferencia de los ordenadores convencionales, que calculan en secuencia utilizando bits binarios-0 o 1-los dispositivos cuánticos aprovechan la rareza del mundo cuántico, donde el 0 y el 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? Un ordenador cuántico es como un multitarea híper eficiente, mientras que los ordenadores convencionales son mucho más lineales. Cuando se le da el mismo problema, un ordenador cuántico debería ser capaz de superar cualquier superordenador en cualquier problema en términos de velocidad y eficiencia. La idea, bautizada como «supremacía cuántica», ha sido la fuerza motriz para impulsar una nueva generación de ordenadores completamente ajena a todo lo fabricado anteriormente.

¿El problema? Demostrar la supremacía cuántica es extremadamente difícil. A medida que los dispositivos cuánticos salen cada vez más del laboratorio para resolver más problemas del mundo real, los científicos están adoptando un punto de referencia intermedio: la ventaja cuántica, que es la idea de que un ordenador cuántico puede superar a uno convencional en una sola tarea, cualquier tarea.

Ya en 2019, Google rompió el internet en el que se muestra el primer ejemplo de ordenador cuántico, Sycamore, que resuelve un problema de cálculo en sólo 200 segundos con 54 qubits, frente a los 10.000 años que tarda un superordenador convencional. Un equipo chino pronto siguió con una segunda muestra fascinante de la ventaja computacional cuántica, en la que la máquina escupió respuestas que a un superordenador le costarían más de dos mil millones de años.

Yet a crucial question remains: are any of these quantum devices even close to being ready for practical use?

Un rediseño drástico

Es fácil olvidar que los ordenadores se basan en la física. Nuestro sistema actual, por ejemplo, aprovecha electrones y un diseño inteligente chips para realizar sus funciones. Los ordenadores cuánticos son similares, pero se basan en una física de partículas alternativa. Las primeras generaciones de máquinas cuánticas parecían delicados candelabros brillantes. Aunque son absolutamente preciosas, comparadas con un chip compacto de un smartphone, también son completamente impracticables. El hardware suele requerir climas muy controlados -por ejemplo, una temperatura cercana al cero absoluto- para reducir las interferencias y aumentar la eficacia del ordenador.

El concepto básico de la informática cuántica es el mismo: qubits que procesan datos en superposición, una peculiaridad de la física cuántica que les permite codificar 0s, 1s o ambos al mismo tiempo. El hardware que soporta la idea difiere enormemente.

El Sycamore de Google, por ejemplo, utiliza bucles metálicos superconductores, una configuración popular entre otros gigantes de la tecnología, como IBM, que presentó Eagle, un potente Chip cuántico de 127 qubits in 2021 that’s about the size of a quarter. Other iterations from companies such as Honeywell y IonQ adoptaron un enfoque diferente, aprovechando los iones -átomos a los que se les han quitado uno o más electrones- como principal fuente de computación cuántica.

Otra idea se basa en los 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 peldaño hacia la computación cuántica y no como una solución práctica, en gran medida por las dificultades de ingeniería y configuración.

Una revolución fotónica

El equipo de Xanadú demostró que los detractores estaban equivocados. El nuevo chip, Borealis, es ligeramente similar al del estudio chino en el sentido de que utiliza fotones -en lugar de materiales superconductores o iones- para el cálculo.

Pero tiene una gran ventaja: es programable. «Los experimentos anteriores solían basarse 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 (Brasil), que no participó en el estudio. La anterior demostración de ventaja cuántica del estudio chino utilizaba un chip estático. Con Borealis, sin embargo, los elementos ópticos «pueden programarse fácilmente», lo que lo convierte menos en un dispositivo de un solo uso y más en un ordenador real potencialmente capaz de resolver múltiples problemas. (El campo de juego cuántico es disponible en la nube para que cualquiera pueda experimentar y explorar una vez que se inscriba).

La flexibilidad del chip se debe a una ingeniosa actualización del diseño, un «esquema innovador [que] ofrece un control y un potencial de escalado impresionantes», dijo Brod.

El equipo se centró en un problema llamado Muestreo de bosones gaussianos , a benchmark for evaluating quantum computing prowess. The test, while extraordinarily difficult computationally, doesn’t have much impact on real-world problems. However, like chess or Go for measuring AI performance, it acts as an unbiased judge to examine quantum computing performance. It’s a “gold standard” of sorts: “Gaussian boson sampling is a scheme designed to demonstrate the advantages of quantum devices over classical computers,” explained Brod.

El montaje es como una carpa de espejos de feria en una película de terror. Los estados especiales de la luz (y los fotones) -llamados curiosamente « estados exprimidos» -se introducen en un túnel en el chip incrustado con una red de divisores de haz. Cada divisor de haz actúa como un espejo semirreflectante: dependiendo de cómo incida la luz, se divide en múltiples hijas, algunas se reflejan y otras pasan. Al final del artilugio hay un conjunto de detectores de fotones. Cuantos más divisores de haz haya, más difícil será calcular cómo acabará un fotón individual en un detector determinado.

Otra visualización: imagina una máquina de judías, un tablero con clavijas encerrado en un cristal. Para jugar, se deja caer un disco en las clavijas de la parte superior. A medida que el disco va cayendo, golpea aleatoriamente diferentes clavijas, hasta aterrizar en una ranura numerada.

El muestreo gaussiano de bosones sustituye los discos por fotones, con el objetivo de detectar qué fotón cae en cada ranura del detector. Debido a las propiedades cuánticas, las posibles distribuciones resultantes crecen exponencialmente, superando rápidamente la potencia de cualquier superordenador. Se trata de un excelente punto de referencia, explica Brod, en gran medida porque entendemos la física subyacente, y la configuración sugiere que incluso unos pocos cientos de fotones pueden desafiar a los superordenadores.

Aceptando el reto, el nuevo estudio reimaginó un dispositivo cuántico fotónico con unos admirables 216 qubits. Contradiciendo los diseños clásicos, el dispositivo calculaba los fotones en franjas de tiempo de llegada en lugar del estándar anterior de dirección. El truco consistía en introducir bucles de fibras ópticas para retrasar los fotones y que pudieran interferir en puntos específicos importantes para la computación cuántica.

Con estos retoques se ha conseguido un dispositivo enormemente reducido. La gran red habitual de divisores de haces -normalmente necesarios para las comunicaciones de fotones- puede reducirse a sólo tres para dar cabida 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», ya que un divisor de haz puede ajustarse en tiempo real, como si se tratara de editar un código informático, pero a nivel de hardware.

The team also aced a standard sanity check, certifying that the output data was correct.

Por ahora, siguen siendo escasos los estudios que demuestran de forma fehaciente la supremacía cuántica. Los ordenadores convencionales llevan medio siglo de ventaja. A medida que los algoritmos siguen evolucionando en los ordenadores convencionales -especialmente los que aprovechan los potentes chips centrados en la IA o neuromorfo diseños de computación-pueden incluso superar fácilmente a los dispositivos cuánticos, dejando que éstos se esfuercen por alcanzarlos.

Pero eso es lo divertido de la persecución. «La ventaja cuántica no es un umbral bien definido, basado en una única cifra 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 que baten récords se turnen en un futuro próximo para disputarse el primer puesto», afirma 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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