Al universo le gusta jugar a los dados: Computación cuántica
¿Cuándo se conseguirá la supremacía cuántica computacional?
Hace unos meses Google anunció que había conseguido la “supremacía cuántica” con su procesador cuántico Sycamore, esto es, realizar un cálculo exponencial complejo en relativamente poco tiempo y que llevaría años realizarlo con el mas potente ordenador tradicional. En concreto pusieron como ejemplo un problema en el que su computador cuántico de 53 qubits (los bits cuánticos) tardaba 200 segundos en resolverlo, mientras en el ordenador mas potente del momento (el Summit de IBM) tardaría ¡¡10.000 años!!…. ¡se había conseguido la supremacía cuántica!
¡Pero no tan rápido!, días más tarde, los ingenieros de IBM salieron a desmentir la noticia diciendo que esa operación sería realizada en 2,5 días por su ordenador y no en 10.000 años, bueno 200 segundos frente a 216.000 sg de 2,5 días… vale no se ha conseguido la supremacía, pero es 1.000 veces más rápido, ¡un gran paso!
El duelo entre IBM y Google será feroz para ver quien demuestra la supremacía cuántica ya que IBM también está desarrollando su propio computador cuántico, pero no ha encontrado el algoritmo que pueda beneficiarse de las capacidades cuánticas.
https://youtu.be/-ZNEzzDcllU si alguien quiere ver la demostración de Google….
Pero profundicemos un poco, ¿de qué está hecho exactamente un ordenador cuántico? ¿Qué le proporciona esa potencia de cálculo? Y sobre todo ¿son útiles los ordenadores cuánticos si los superordenadores cada vez son más potentes?
El problema exponencial
Para responder a esta última pregunta hay que entender que hay problemas exponenciales que nunca serán abordables por los ordenadores boléanos o tradicionales. Para entender bien el concepto de problema exponencial usaré una leyenda en la que un sabio, al que un rey le prometió un premio, pide al gobernante que le recompense colocando un grano de arroz en el primer cuadrado de un tablero de ajedrez, dos granos en el segundo cuadrado, cuatro granos en el tercero y así sucesivamente. Cada casilla debía tener el doble de granos que la anterior. El rey accedió a su petición y dio su palabra, ¡será por granos de arroz! pero pronto se dio cuenta de que el arroz necesario para llenar el tablero de ajedrez era más del que existía en todo el reino, en toda la tierra y le costaría todos sus bienes.
Vale, vale, pero si según la ley de Moore, la capacidad de proceso se duplica cada 2 años…solo tenemos que esperar unos años para tener la capacidad de proceso necesario, en el caso de IBM con 15 años tendría tanta potencia como el computador cuántico. Pero tenemos un problema y es que estamos llegando al límite físico de la miniaturización, donde será imposible reducir mas el tamaño de los transistores (efecto túnel) y, sobre todo, disipar el calor que generan.
En cambio, los computadores cuánticos no se ven limitados por la miniaturización, aprovechan las propiedades cuánticas de las partículas elementales, principalmente de los electrones. ¿Pero es posible controlar un electrón? Pues como es complicado trabajar directamente con ellos (tienen la manía de no quedarse quietos), se utilizan átomos donde los electrones “orbitan” su núcleo, manteniéndolos confinados en una especie de jaulas magnéticas. Y su capacidad de cálculo aumenta cuantas más jaulas con electrones se interconecten.
Una vez que se captura un átomo, ya podemos aprovechar una propiedad que tienen los electrones de ese átomo como indicador de estado: El Spin. Los electrones son como pequeños imanes y la polaridad puede orientarse en muchas direcciones. Según apunte la polaridad para arriba o para abajo ( ↑ o ↓) decimos que representa un 0 o un 1, pero en realidad es mucho más, un qubit permite que sea 0 y a la vez 1, lo que se ha denominado superposición. ¿Cómo es eso de 0 y 1 a la vez? ¡¡en el mundo real hay determinismo, o es 0 o es 1!!. Paciencia, vamos por partes….Una forma de verlo es la siguiente imagen, donde pasamos de una tecnología binaria (0 o 1) a una cuántica donde podemos regular cuanto de 1 y cuanto de 0 almacena un qubit. Eso sí, la “cantidad” de 1 y de 0 tiene que cumplir unas reglas.
¿Qué? ¿mundos paralelos? ¿estás de broma no? – Computación Cuántica
Como decía, los físicos han conseguido confinar átomos en cámaras de iones gracias a campos magnéticos haciendo que se mantengan dentro de ellos y con láser (fotones) son capaces de actuar sobre el spin de los electrones para cambiarlo…. ¡¡han construido un transistor cuántico! El problema es que para hacer esto, necesitan de momento, de complejas instalaciones refrigeradas a casi el cero absoluto… esta es la pinta que tienen:
¿Pero qué hace que unos cuantos átomos conectados tengan esa capacidad de cálculo?, pues dos propiedades naturales de las partículas cuánticas: la superposición y el entrelazamiento.
Empecemos por el entrelazamiento. Se produce entre 2, 3 o más electrones y es como si las partículas tuviesen comunicación instantánea entre ellas lo que les permite sincronizar su orientación de Spin (estado) sea cual sea la distancia que medie entre ellas, es como un teletransporte de información pero no a velocidad de la luz, sino instantáneo… esto choca con la teoría de la relatividad de que cualquier velocidad no puede ser superior a la luz, y también con toda lógica de nuestra realidad, pero la cuántica es así.
¡¡Ya sé que es muy loco!! A esta propiedad fantasmagórica fascinó a muchos científicos Schrodinger y Einstein entre otros, que nunca se lo terminaron de creer. el propio Einstein llamó a este efecto “escalofriante acción a distancia”.
Resumiendo, que si tenemos un sistema en el cual dos partículas están entrelazadas entre sí, cuando cambiamos el Spin de una de ellas de forma aleatoria, la otra cambia automáticamente esté donde esté (aunque esté a la otra punta de la galaxia) y sin que haya ningún canal de información de por medio, ¡¡más rápido que la luz!
¿preparado para la segunda propiedad?, agárrate, ahora vamos con la superposición. Es una propiedad que permite a los qubit tener simultáneamente varios valores. Imagina que su propiedad fuera el color, pues podrían ser rojos y verdes a la vez. Es como si estuviésemos generando nuevas dimensiones con cada qubit superpuesto y cada una de esas dimensiones guarda un valor. Si tenemos un Computador de 20 qubits, tiene 20 dimensiones donde cada una guarda un valor, pero desde nuestra realidad de 3 dimensiones, lo vemos superpuesto… ¿nuevas dimensiones?, siiii, el espacio de cálculo se multiplica lo que implica que podemos distribuir los cálculos entre todas ellas y hacerlas ¡¡de una sola vez!!.
Os recomiendo este simpático video de universos paralelos, te reirás un buen rato: https://www.youtube.com/watch?v=vBkBS4O3yvY
¿De qué orden de magnitud es la mejora?
Es difícil hacer paralelismos entre los superordenadores y los computadores cuánticos en cuanto a rendimiento ya que implica pasar de “lógica boleana” a “lógica cuántica” pero mientras en un ordenador clásico una operación toma un valor binario de entrada y genera un resultado, en un computador cuántico, todas las posibles combinaciones se hacen a la vez, en paralelo.
Solo una ilustración para entender la capacidad exponencial de los qubits para almacenar información:
Con 3 bits clásicos podemos almacenar un solo valor como el 011 (3 en número real), con 3 qubits podemos almacenar simultáneamente 8 valores gracias a sus propiedades de superposición. Este video lo cuenta muy bien https://www.visual-science.com/projects/quantum-computers/animation/
¿Y esto para cuándo?
Desarrolladores tranquilos, si alguien está pensando en hacer un cursillo rápido de algoritmos cuánticos que espere un poquito, los ordenadores cuánticos no tienen operadores aritméticos o lógicos tradicionales. De hecho, no tiene una estructura de bucle «si, entonces» o «mientras…». No se puede recompilar un programa de C++ o Python y ejecutarlo en un ordenador cuántico.
En general, la computación cuántica no terminará con la computación clásica. Ambas coexistirán. Habrá un montón de algoritmos que no tienen ninguna ventaja en la computación cuántica.
Si alguien no ha entendido nada, que no se preocupe, como dijo Feynman, el premio Nobel de física, “Si crees que entiendes la mecánica cuántica, es que realmente no entiendes la mecánica cuántica”. Y si, mi querido Einstein, al universo le gusta jugar a los dados.
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