Un grupo de investigadores desarrolla una f¨®rmula para ejecutar computaci¨®n cu¨¢ntica con sistemas convencionales

A¨²n no se dispone de un ordenador cu¨¢ntico funcional al 100%, aunque cada vez se est¨¢ m¨¢s cerca. Sin embargo, el potencial de la computaci¨®n fundamentada en esta f¨ªsica, capaz de desentra?ar la materia oscura microbiana (material gen¨¦tico de microorganismos a¨²n por desvelar), descubrir nuevas mol¨¦culas medicinales, identificar cada ladrillo de un genoma u optimizar un complejo proceso financiero o industrial, urge el hallazgo de atajos. Investigadores de BBVA, que mantiene un equipo especializado en esta disciplina con participaci¨®n p¨²blica y privada, han logrado una simulaci¨®n cu¨¢ntica distribuida con servidores cl¨¢sicos y programaci¨®n de c¨®digo abierto, replicable por cualquier instituci¨®n sin necesidad de un superordenador o un delicado computador basado en las caracter¨ªsticas ex¨®ticas del mundo subat¨®mico. Es decir, una forma de hacer computaci¨®n cu¨¢ntica con tecnolog¨ªa actual, disponible y al alcance de cualquiera.

El mundo f¨ªsico que percibimos es un trampantojo, las sombras de la caverna de Plat¨®n llevadas al extremo. Si fu¨¦ramos capaces de jibarizarnos hasta un tama?o subat¨®mico, percibir¨ªamos una dimensi¨®n donde se puede estar en dos estados a la vez (superposici¨®n), hay teletransportaci¨®n, se conduce la energ¨ªa sin p¨¦rdidas (superconductividad), hay flujos sin fricci¨®n (superfluidez) y una extra?a coreograf¨ªa marca la interacci¨®n de las part¨ªculas (orden topol¨®gico).

Desentra?ar todo ese universo permitir¨ªa responder a preguntas tan b¨¢sicas como qu¨¦ somos y de d¨®nde venimos, pero tambi¨¦n aprovechar sus caracter¨ªsticas para aplicaciones pr¨¢cticas como la computaci¨®n cu¨¢ntica, con capacidades imposibles de alcanzar por la inform¨¢tica cl¨¢sica. Al ordenador que permita la ejecuci¨®n de algoritmos cu¨¢nticos sin errores a¨²n le queda una d¨¦cada, seg¨²n las previsiones m¨¢s optimistas. Sus principales desaf¨ªos son el ruido (una simple microonda o una alteraci¨®n de la temperatura puede arruinar el proceso) y el tiempo de coherencia, los microsegundos durante los que se mantiene la superposici¨®n de estados que incrementa de forma exponencial la capacidad de computaci¨®n.

Sin embargo, hay un atajo y es el hallazgo conseguido por los investigadores de BBVA. ¡°Hemos conseguido hacer la simulaci¨®n de la ejecuci¨®n de algoritmos cu¨¢nticos usando m¨¢quinas cl¨¢sicas, escalando hasta una potencia de c¨¢lculo total de 38 c¨²bits [bits cu¨¢nticos] y con el resultado esperado en un computador ideal cu¨¢ntico¡±, resume Javier Recuenco, responsable del ¨¢rea de Innovaci¨®n de Arquitectura T¨¦cnica de BBVA CIB.

¡°Al hacer simulaci¨®n con computadores cl¨¢sicos, hemos evitado el problema de tiempo de coherencia y el ruido. Ya puedo estar ejecutando horas y horas la simulaci¨®n¡±, explica para a?adir otro elemento fundamental: ¡°El algoritmo va creciendo con el n¨²mero de c¨²bits y necesito m¨¢s potencia. Todo eso se tiene que distribuir en memoria y necesitamos mucha para que esto funcione. Usar un simulador cu¨¢ntico distribuido se vuelve necesario¡±.

El nuevo sistema no aspira a superar las capacidades de un ordenador cu¨¢ntico completamente tolerante a fallos, cuanto este sea una realidad, pero s¨ª a aprovechar las ventajas de la computaci¨®n cu¨¢ntica con las herramientas disponibles ahora, a pesar de las limitaciones. ¡°Tiene un coste muy alto¡±, admite Recuenco en referencia a los recursos empleados para la prueba de concepto, la demostraci¨®n del m¨¦todo propuesto en la nube, que en esta ocasi¨®n ha sido posible con la participaci¨®n de Amazon Web Service y la compa?¨ªa de transformaci¨®n tecnol¨®gica VASS. Se han quedado en 38 c¨²bits, pero creen que es escalable.

Una computadora cl¨¢sica con 38 bits solo podr¨ªa representar ese mismo n¨²mero de estados diferentes. Sin embargo, la misma cantidad de c¨²bits puede representar y manipular simult¨¢neamente 2?? gracias a la propiedad de superposici¨®n, que permite a un c¨²bit estar en un estado 0, en un estado 1 o en cualquier combinaci¨®n de ambos al mismo tiempo. Por lo tanto, una computaci¨®n cu¨¢ntica de 38 c¨²bits puede representar aproximadamente 274.000 millones de estados diferentes al mismo tiempo.

La simulaci¨®n cu¨¢ntica distribuida tiene una primera aplicaci¨®n en optimizaci¨®n de carteras, en c¨¢lculo de riesgos y en hallar el camino m¨¢s corto en grafos, un problema cl¨¢sico que busca la v¨ªa ¨®ptima entre v¨¦rtices o nodos. ¡°Pero puede ser aplicable en cualquier ¨¢mbito. A las universidades les debe interesar mucho y a la industria qu¨ªmica o farmac¨¦utica. O para encontrar nuevos componentes de las bater¨ªas¡±, explica el investigador.

Una de sus grandes ventajas es que no precisa de un superordenador ni de un entramado de dispositivos cu¨¢nticos. Seg¨²n explica Diego Garc¨ªa Vaquero, director de arquitecturas y coinvestigador del sistema, comenzaron con dispositivos de solo ocho gigas de memoria RAM y llegaron a un m¨¢ximo de un terabite. Basta con una red convencional ya existente en la nube. ¡°Y con c¨®digo abierto¡±, precisa. Esta premisa es b¨¢sica para facilitar el uso de la simulaci¨®n desarrollada, que se publicar¨¢ en un documento t¨¦cnico detallado para que sea replicable, seg¨²n anuncian los investigadores.

Otra ventaja de la simulaci¨®n conseguida es que, al no depender de sistemas inestables, se puede ejecutar por fases y establecer lo que Recuenco califica de ¡°banderas o puntos intermedios de control¡± en el proceso para ver c¨®mo progresa el algoritmo, as¨ª como entrelazar los c¨²bits sin las limitaciones topol¨®gicas que presentan los computadores cu¨¢nticos reales.

200 veces m¨¢s veloz

Esta l¨ªnea de investigaci¨®n de la simulaci¨®n cu¨¢ntica la desarrollan compa?¨ªas como Fujitsu, que complementa estos desarrollos con los mayores superordenadores del mundo y con computadores cu¨¢nticos. El pasado febrero, la compa?¨ªa anunci¨® el desarrollo de una novedosa t¨¦cnica de simulaci¨®n, tambi¨¦n basada en la distribuci¨®n, que acelera los algoritmos h¨ªbridos (cu¨¢ntico-cl¨¢sicos) y alcanza una velocidad de c¨¢lculo 200 veces superior a la de simulaciones anteriores.

En el caso de los c¨¢lculos de circuitos cu¨¢nticos mediante algoritmos h¨ªbridos, los problemas a mayor escala requieren muchos c¨²bits y d¨ªas de procesamiento. Las simulaciones en los campos de los materiales y el descubrimiento de f¨¢rmacos pueden requerir incluso varios cientos de d¨ªas.

La tecnolog¨ªa de Fujitsu permite procesar simult¨¢neamente un gran n¨²mero de c¨¢lculos de circuitos cu¨¢nticos ejecutados repetidamente y distribuidos entre varios grupos. Fujitsu tambi¨¦n ha ideado una forma de simplificar problemas a gran escala con menor p¨¦rdida de precisi¨®n utilizando uno de los simuladores cu¨¢nticos. En un solo d¨ªa se ejecutan c¨¢lculos que con los m¨¦todos convencionales tardar¨ªan m¨¢s de medio a?o. Fujitsu cree que estos modelos aceleran la investigaci¨®n sobre la aplicaci¨®n pr¨¢ctica en diversos campos y en ordenadores cu¨¢nticos reales.

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