Pedro Luis Martín Olivares – En 2012, él físico teórico John Preskill publico un artículo donde planteó la siguiente interrogante: «¿Controlar los sistemas cuánticos a gran escala es realmente difícil, o es ridículamente difícil?». Siete años después, la respuesta nos pudiese sorprender: es simplemente muy difícil.
En nuestra editorial del domingo hice referencia a un artículo que se publicó en línea recientemente sobre este asunto. Hablo de una investigación subyacente que fue aceptada por Nature, una revista científica de primer nivel, que se mantenía bajo niveles estrictos de confidencialidad y que de manera accidentada hace poco se filtro. La filtración reveló que Google ha logrado lo que el Dr. Preskill denominó en su artículo, «Supremacía Cuántica». Usando una computadora cuántica, los investigadores del gigante de la tecnología de la información llevaron a cabo en un lapso de tres minutos un cálculo que le tomaría a Summit, la mejor supercomputadora clásica actual del mundo, 10,000 años de ejecución.
Aunque pocos no están de acuerdo con lo que representa el documento filtrado, esto es una demostración creíble de la supremacía cuántica, es de hecho un hito. Dividirá la historia del campo en dos épocas: un «antes», cuando se esperaba que las computadoras cuánticas superaran incluso al mejor tipo clásico, y un «después», cuando realmente lo hicieron. Se ha hablado mucho, incluso en este periódico, sobre la última era. Ahora ha llegado.
El experimento de Google fue «muestreo de circuito»: comprobar si los números que arroja su máquina, dados los datos aleatorios, se ajustan a un patrón particular. Esta tarea de nicho fue elegida para que sea fácil para una computadora cuántica y al mismo tiempo sea comprobable, solo, por una clásica. Sin embargo, confirma que las computadoras cuánticas pueden con el tiempo ser capaces de manejar asuntos de importancia práctica de larga data. Estos incluyen diseñar nuevos medicamentos y materiales, impulsar el campo del aprendizaje automático y hacer obsoletos los códigos criptográficos que encierran algunos de los secretos del mundo.
Las computadoras cuánticas emplean tres fenómenos contraintuitivos. Uno es la «superposición», la idea detrás del famoso gato vivo y muerto de Schrödinger. A diferencia de los bits clásicos, que deben ser uno o cero, los «qubits» pueden ser una mezcla de ambos. La máquina de Google tiene 53 qubits, que entre ellos pueden representar casi diez millones de millones de posibles estados superpuestos.
El segundo es el «enredo», que une las partículas cuánticas en el tiempo y el espacio. En las computadoras estándar, cada bit se vincula rigurosamente con el siguiente, es decir, máquinas cuánticas con sus qubits enredados. Las operaciones matemáticas en qubits superpuestos y enredados pueden actuar, en mayor o menor grado, sobre todos ellos a la vez.
Un cálculo cuántico comienza abordando qubits individualmente: haciendo que uno de ellos sea mayormente cero, digamos, y luego enredandolo con su vecino en una cierta cantidad. Una vez hecho esto, permite que las reglas de la física se desarrollen, con los estados y los vínculos de los qubits que evolucionan con el tiempo. Al final (pero no antes, lo que arruinaría el cálculo), los qubits se examinan simultáneamente para obtener una respuesta.
El truco es maximizar la posibilidad de elegir la respuesta correcta en lugar de uno de los miles de millones de respuestas incorrectas. Aquí es donde entra en juego la tercera idea contraintuitiva. En física clásica, las probabilidades deben ser positivas, digamos, un 30% de probabilidad de lluvia. La mecánica cuántica utiliza un concepto relacionado, llamado «amplitudes». Estos pueden ser tanto negativos como positivos. Al garantizar que las amplitudes que representan respuestas incorrectas se cancelen entre sí, mientras que las que representan la respuesta correcta se refuerzan, los programadores pueden concentrarse con gran confianza en la solución correcta.
Esa es la explicación que presentan los libros de texto, de todos modos. En el laboratorio, las cosas son bastante más difíciles. Las superposiciones y los enredos son fenómenos extremadamente delicados. Incluso la sacudida de las moléculas adyacentes puede interrumpirlas y mancillar un cálculo. La mayoría de los diseños para computadoras cuánticas requieren que las máquinas se almacenen a temperaturas más frías que las del espacio profundo, y que sean mantenidas por un sótano lleno de Phds, para mantener las cosas en orden.
Sin embargo, ningún muy alto nivel de educación o profundidad en frio puede impedir por completo que se introduzcan errores. El mayor problema que enfrentan los ingenieros cuánticos es cómo detectarlos y corregirlos, porque la mayoría de las aplicaciones útiles de computación cuántica requerirán muchos, muchos más qubits que los actuales dispositivos deportivos: con un aumento concomitante en el riesgo de errores. Eso ha estimulado un gran esfuerzo, tanto por parte de firmas conocidas como IBM, Intel y Microsoft, como por una banda entusiasta de recién llegados, como Rigetti, para construir un kit mejor y menos propenso a errores.
También hay, en paralelo con esta carrera para construir mejores máquinas, una carrera para desarrollar algoritmos cuánticos útiles para ejecutarlos. El ejemplo más famoso hasta ahora es probablemente el algoritmo de SHOR. Esta es la pieza de matemática con turbocompresor cuántico que permite la factorización rápida de grandes números en sus números primos componentes y, por lo tanto, asusta a los criptógrafos, un grupo cuyo comercio depende de que esto sea algo difícil de hacer. Pero si las computadoras cuánticas realmente quieren ganarse la vida, entonces se necesitarán otros algoritmos. Su desarrollo contará con la ayuda del hecho de que muchas de las aplicaciones propuestas, como diseño de medicamentos y ciencia de materiales, por ejemplo, dependen de procesos cuánticos. De hecho, esta es la razón por la cual esas aplicaciones han sido tan intratables hasta ahora.
A pesar de la promesa de la computación cuántica, muchos en el campo se sienten incómodos con la frase «supremacía cuántica», ya que implica un umbral que, una vez cruzado, deja décadas de ciencia informática existente en el polvo por algo extraño y maravilloso. Y a pesar de todo el «antes» y el «después» que representa el artículo de Google, construir máquinas prácticas y con corrección de errores estará lejos de ser fácil.
Por lo tanto, es un error lo que la mayoría de la gente piensa, creer que la computación cuántica reemplazará al tipo clásico. Los aspectos prácticos de la operación a baja temperatura por sí solos probablemente verifiquen esto. Los gobiernos, las grandes empresas y los tipos universitarios más ricos, sin duda, comprarán sus propias máquinas mientras otros alquilarán tiempo en dispositivos vinculados a versiones cuánticas de la nube. Pero el número total de computadoras cuánticas será limitado.
Y eso estará bien. Pero vale la pena tener en cuenta una predicción similar de la demanda limitada realizada en los primeros días de la informática clásica. En 1943, se dice que Thomas Watson, entonces jefe de IBM, dijo: «Creo que hay un mercado mundial para quizás cinco computadoras». Estaba equiovocado por un factor de quizás mil millones.
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Pedro Luis Martín Olivares
Economía y Finanzas
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