Una investigaci¨®n avanza hacia la supremac¨ªa cu¨¢ntica con resultados imposibles en la computaci¨®n cl¨¢sica

Para la ciencia, el futuro de la computaci¨®n cu¨¢ntica ya est¨¢ aqu¨ª, es una realidad incluso con las limitaciones actuales. Una investigaci¨®n que publica Nature este mi¨¦rcoles demuestra que un procesador de 127 c¨²bits, capacidad ya presente en los ordenadores cu¨¢nticos comerciales existentes, es capaz de medir valores esperados en operaciones de f¨ªsica, incluso con los errores que a¨²n genera este tipo de computaci¨®n. Para G?ran Wendin y Jonas Bylander, investigadores de la Universidad de Tecnolog¨ªa de Chalmers (Suecia), el trabajo demuestra ¡°que los procesadores cu¨¢nticos pueden ser potencialmente ¨²tiles para algunos c¨¢lculos espec¨ªficos, a pesar de los errores¡±, robustez a la que a¨²n le quedan algunos a?os por delante para ser alcanzada. Esta demostraci¨®n no establece la supremac¨ªa cu¨¢ntica, entendida como la capacidad de resolver problemas que los ordenadores convencionales no pueden solucionar, pero s¨ª avanza hacia ella al probar una ventaja de la computaci¨®n cu¨¢ntica actual, la ya disponible, para ser eficiente e ¡°ir m¨¢s all¨¢ de las capacidades de los mejores m¨¦todos computacionales cl¨¢sicos actuales¡± con procesos de mitigaci¨®n de fallos tras el an¨¢lisis.

Un superordenador actual, como el Summit de IBM, es capaz de procesar m¨¢s de 200.000 millones de c¨¢lculos por segundo. Pero uno cu¨¢ntico podr¨ªa ejecutar trillones gracias a la superposici¨®n, una propiedad que permite a las part¨ªculas estar en dos estados o en cualquier superposici¨®n de ellos. De esta forma, mientras dos bits (el bit es la unidad m¨ªnima en computaci¨®n cl¨¢sica) pueden almacenar un n¨²mero, dos c¨²bits pueden contener cuatro y diez c¨²bits, 1.024 estados simult¨¢neos, por lo que se ampl¨ªa exponencialmente la capacidad por cada c¨²bit a?adido.

El problema es que las superposiciones cu¨¢nticas se degradan hasta convertirse en estados cl¨¢sicos (decoherencia) por cualquier interacci¨®n con el entorno: temperatura, electromagnetismo, vibraciones¡­ Cualquier interferencia produce ruido, reduce a microsegundos el tiempo en el que se mantienen las superposiciones que multiplican la capacidad de computaci¨®n y genera fallos que intentan mitigarse con programaci¨®n, buscando part¨ªculas cercanas a la esquiva Majorana y que mantengan la coherencia, o evit¨¢ndolos con sistemas muy complejos, aislados y a temperaturas de cero absoluto (-273 grados Celsius).

De esta forma, la computaci¨®n cu¨¢ntica tolerante a fallos es hoy imposible para las tecnolog¨ªas existentes y est¨¢ ¡°fuera del alcance de los procesadores actuales¡±, seg¨²n los autores de la investigaci¨®n, aunque empresas como Google han dados pasos de gigante de forma reciente en este sentido.

La demostraci¨®n que publican ahora Youngseok Kim, Andrew Eddins y Abhinav Kadala, investigadores de IBM, junto a otros autores, evidencia que un procesador cu¨¢ntico y un procesamiento posterior al an¨¢lisis pueden generar, manipular y medir de manera confiable estados cu¨¢nticos tan complejos que sus propiedades no podr¨ªan estimarse de forma precisa mediante aproximaciones cl¨¢sicas.

No se trata de velocidad de computaci¨®n, sino de capacidad. ¡°Ninguna computadora cl¨¢sica tiene suficiente memoria para codificar las posibilidades calculadas por los 127 c¨²bits¡±, afirman los autores. Wendin y Bylander lo comparten: ¡°La ventaja cu¨¢ntica fundamental aqu¨ª es la escala en lugar de la rapidez: los 127 c¨²bits codifican un problema para el cual ninguna computadora cl¨¢sica tiene suficiente memoria¡±.

Ventaja cu¨¢ntica

¡°Estos resultados experimentales son posibles gracias a los avances en la coherencia y calibraci¨®n del procesador superconductor, as¨ª como por la capacidad de caracterizar y manipular de forma controlada el ruido. Estos experimentos evidencian la utilidad de la computaci¨®n cu¨¢ntica en una era pretolerante a fallos [la actual] y muestran una herramienta fundamental para la realizaci¨®n de aplicaciones cu¨¢nticas a corto plazo¡±, aseguran los autores.

La medici¨®n f¨ªsica ya fue demostrada por un equipo internacional europeo en el que particip¨® el profesor de la Universidad de Sevilla Ad¨¢n Cabello, quien logr¨® observar el estado cu¨¢ntico de un ion de estroncio durante todo el proceso, no solo al principio y al final. Esta primera pel¨ªcula de algo nunca visto y que dura una millon¨¦sima de segundo, fue considerada por Physics World como uno de los avances m¨¢s destacados de 2020.

Para la investigaci¨®n actual se ha recurrido a un modelo de Ising, un paradigma propuesto para estudiar la transici¨®n ferromagn¨¦tica de las part¨ªculas. Pero el objetivo no era el proceso f¨ªsico, sino demostrar que una medici¨®n fiable sobre un sistema complejo se puede realizar con un ordenador cu¨¢ntico comercialmente disponible, aunque no sea tolerante a fallos. ¡°La pregunta que se plantea el art¨ªculo de Nature es: ?Podemos hacer algo ¨²til con los ordenadores cu¨¢nticos actuales, con un n¨²mero peque?o de c¨²bits y unas probabilidades de error relativamente altas? La respuesta de los autores es que s¨ª, pero tiene un truco: la mitigaci¨®n de errores¡±, afirma Carlos Sab¨ªn, investigador Ram¨®n y Cajal en el departamento de F¨ªsica Te¨®rica de la Universidad Aut¨®noma de Madrid (UAM), a Science Media Center (SMC).

¡°Los autores muestran que su m¨¢quina [de IBM], tras la mitigaci¨®n de errores, s¨ª que aporta resultados fiables al calcular magnitudes f¨ªsicas del sistema¡±, explica Sab¨ªn. Y a?ade: ¡°Si estos resultados se confirman (por ejemplo, por el equipo de la competencia de Google) significar¨ªan un primer paso en la prueba de la utilidad de los ordenadores cu¨¢nticos actuales, relativamente peque?os y ruidosos, cuando se les ayuda con mitigaci¨®n de errores¡±. ¡°Aunque seguramente este c¨¢lculo concreto no tiene aplicaci¨®n pr¨¢ctica directa (ya que los valores de los par¨¢metros donde se muestra la superioridad cu¨¢ntica probablemente no se correspondan con sistemas f¨ªsicos reales), al menos, el modelo de Ising [el utilizado en el experimento] tiene una inspiraci¨®n f¨ªsica, por lo que es posible que existan modelos de complejidad similar con aplicaciones m¨¢s inmediatas que tambi¨¦n puedan ser atacados por m¨¢quinas parecidas y un enfoque basado en mitigaci¨®n, no correcci¨®n, de errores¡±, concluye

Juan Jos¨¦ Garc¨ªa-Ripoll, investigador cient¨ªfico en el Instituto de F¨ªsica Fundamental IFF-CSIC, resalta a SMC que ¡°el trabajo, de excelente calidad, demuestra la capacidad de c¨®mputo del ordenador cu¨¢ntico de 127 c¨²bits de IBM¡±. Garc¨ªa-Ripoll resume las conclusiones de la investigaci¨®n: ¡°Los ordenadores cu¨¢nticos que tenemos, aunque imprecisos, pueden simular problemas de inter¨¦s para la f¨ªsica que son de una elevada complejidad; aunque el ordenador cu¨¢ntico comete errores, el protocolo permite cancelarlos y obtener predicciones cuantitativas muy precisas; y las t¨¦cnicas de simulaci¨®n en ordenadores cl¨¢sicos para problemas de este tipo producen resultados menos precisos que el ordenador cu¨¢ntico¡±.

Para el f¨ªsico espa?ol, el resultado ¡°no es necesariamente definitivo¡±, aunque la computaci¨®n cu¨¢ntica haya desarrollado procesadores como el Osprey, tambi¨¦n de IBM y con 413 c¨²bits. ¡°Es posible que otros cient¨ªficos mejoren el estado del arte en redes de tensores [los sistemas cl¨¢sicos usados para problemas como el abordado en Nature] y consigan igualar o superar lo que puede hacer este procesador con 127 c¨²bits¡±, a?ade.

Una opini¨®n similar sostienen G?ran Wendin y Jonas Bylander: ¡°?Este avance mejora las perspectivas de aplicar la computaci¨®n cu¨¢ntica a problemas industrialmente relevantes? La respuesta es: probablemente no. Tales algoritmos deben involucrar un n¨²mero mucho mayor de c¨²bits y muchas m¨¢s operaciones para ser competitivos con las supercomputadoras cl¨¢sicas de alto rendimiento y estos c¨¢lculos cu¨¢nticos inevitablemente se ahogar¨ªan en ruido¡±

Puedes escribir a rlimon@elpais.es y seguir a EL PA?S Tecnolog¨ªa en Facebook y Twitter o apuntarte aqu¨ª para recibir nuestra newsletter semanal.