¿Qué es?

La supremacía cuántica es la capacidad potencial de los dispositivos de computación cuántica para resolver problemas que los computadores clásicos prácticamente no pueden resolver.

También se puede decir, que es el umbral donde los computadores cuánticos dejan de ser un proyecto de investigación interesante para empezar a hacer las cosas que las computadoras clásicas no pueden hacer.

Este artículo da la información necesaria para entender la supremacía cuántica y saber si realmente se ha llegado o se puede llegar a ella, esto marcaría un hito en la historia de la computación moderna.

¿Por qué es importante?

Como hemos mencionado, para lograr la supremacía cuántica, un computador cuántico tendría que efectuar algún cálculo que, a todos los efectos prácticos, uno clásico no podría llevar a cabo.

En la década de 1990, los primeros algoritmos cuánticos resolvieron problemas que no le interesaban en realidad a nadie. Pero los científicos de la computación que los crearon aprendieron cosas que aplicaron al desarrollo de algoritmos subsiguientes (Algoritmo de Deutsch-Jozsa, Algoritmo de Shor y Algoritmo de Grover) que sí tenían consecuencias prácticas enormes.

Durante muchos años se ha actuado bajo una suposición, la tesis extendida de Church-Turing, que dice que un computador clásico puede realizar eficientemente cualquier cálculo que otro tipo de ordenador efectúe eficientemente. La supremacía cuántica sería la primera violación experimental de ese principio, así que introduciría las ciencias de la computación en un mundo completamente nuevo.

«La supremacía cuántica sería un terremoto en el campo de la ciencia teórica de la computación».

Adam Bouland
Científico de información cuántica
Universidad de California en Berkeley

Entonces ¿Cómo se alcanza la supremacía cuántica?

Resolviendo un problema que un computador clásico no puede resolver eficientemente. Podría ser cualquier problema que se quisiera, pero se suele esperar que la primera demostración de la supremacía cuántica se refiera a uno concreto: El muestreo de circuito aleatorio.

Un ejemplo sencillo de un problema de muestreo de un sistema aleatorio lo da un programa que simule las tiradas de un dado sin sesgos. Un programa así se ejecuta correctamente cuando muestrea adecuadamente los resultados posibles y saca, pues, cuando el problema se ejecuta repetidamente, cada uno de los seis números del dado una sexta parte de las veces.

Ahora bien, en lugar de un dado, este problema para la supremacía cuántica le pide a un computador que muestree correctamente los resultados posibles de un circuito cuántico aleatorio, que viene a ser como una serie de acciones que se pueden realizar sobre un conjunto de bits cuánticos, o cúbits.

Pensemos en un circuito que actúa sobre 50 cúbits. A medida que pasan por el circuito, los estados de los cúbits se entrelazan en una llamada superposición cuántica. Como resultado, al final del circuito los 50 cúbits están en una superposición de 250 estados posibles. Si se miden los cúbits, de 250 posibilidades este proceso colapsa en una sola ejecución de 50 bits. Equivale a tirar el dado, salvo que en vez de seis posibilidades hay 250, un trillón aproximadamente, y no todas las posibilidades son igualmente probables.

Los computadores cuánticos, que sacan partido de características puramente cuánticas, como las superposiciones y el entrelazamiento, deberían poder producir eficientemente una serie de muestras del circuito aleatorio que sigan la distribución correcta. En cambio, no se conoce un algoritmo rápido para los computadores clásicos que genere esas muestras, así que, a medida que el número de muestras posibles aumenta, los computadores clásicos pueden quedar «colgados»enseguida.

¿Cómo sabremos cuando se ha alcanzado la supremacía cuántica?

Para verificar la supremacía cuántica hay que demostrar dos cosas: 1) Que un computador cuántico ha realizado un cálculo muy rápido 2) y que uno clásico no podría realizar ese mismo cálculo eficientemente.

La segunda parte es la más difícil de demostrar, los computadores clásicos a veces resultan ser mejores en ciertos tipos de problemas de lo que esperaban los científicos. Mientras no se haya probado que no es posible que un computadores clásico haga algo eficientemente, siempre habrá la posibilidad de que haya un algoritmo clásico más eficiente.

Ahora si ¿Estamos cerca de alcanzar la supremacía cuántica?

Existen actualmente varios grupos trabajando en ello: Google, IBM, IonQ, Rigetti, Microsoft y la Universidad Harvard.

Cada uno utiliza enfoques distintos para construir un computador cuántico. Google, IBM y Rigetti realizan cálculos cuánticos mediante circuitos superconductores. IonQ usa iones atrapados. La Iniciativa de Harvard se vale de átomos de rubidio. El enfoque de Microsoft utiliza qubits topológicos.

El pasado 23 de octubre, la revista Nature publicó la versión definitiva del un artículo científico en el que Google explica el presunto mayor avance de la historia en computación cuántica, alcanzó la supremacía cuántica. Esta publicación oficial incluye las respuestas del equipo de Google a las dudas planteadas por los científicos que revisaron el texto.

Una versión incompleta del artículo se filtró por error el pasado 20 de septiembre cuando la NASA lo colgó en un servidor y de ahí el buscador de Google lo rescató y alertó a investigadores interesados en computación cuántica.

Desde el día de la filtración, IBM, el gran competidor comercial de Google por el reinado cuántico, ha publicado artículos o comunicados e invitado a periodistas a su sede para rebajar la importancia del anuncio de Google. «Defendemos que una simulación ideal de la misma tarea que Google indica en su artículo puede ser ejecutada por un sistema convencional en 2,5 días y con mayor fidelidad», dice IBM en un post sacado de un artículo científico que aún no ha pasado la revisión de otros expertos, pero que, según esta empresa, lo hará. Es decir, Google exagera.

Google explicó su versión y ha respondido a IBM en una rueda de prensa diciendo: «Incluso con los 2,5 días que dice IBM, es mucho más que los 3 minutos 20 segundos que empleó nuestro ordenador y estamos por tanto en régimen de supremacía cuántica»-

John Martinis
Líder del proyecto cuántico de Google

La comunidad cuántica necesitará ahora un tiempo para analizar las afirmaciones que ya ha presentado oficialmente Google: «Es un experimento tan complejo que nos va a llevar tiempo comprobar que está funcionando como Google dice».

Juani Bermejo-Vega
Informática cuántica e investigadora en la Universidad de Granada

Como pueden ver al tema !más actual no puede ser! Está además candente en la comunidad científica por sus impactos a nivel tecnológico y político. Lo importante es que marcará un hito para la historia quien lo desmuestre. ¿Alguna duda que debes aprender computación cuántica antes de terminar tu carrera? ¿Tienes algún conocimiento de programación en paralelo? Este no es el futuro, es el presente.

https://www.johncaicedo.com.co/2019/11/11/supremacia-cuantica/