Google e IBM – La “superioridad cuántica”.

El 23 de octubre de 2019, se publicó un artículo en la revista Nature que Google logró la “superioridad cuántica”: resolvió una tarea en 200 segundos, que supuestamente tomaría “10,000 años para que la supercomputadora más moderna” la resuelva.

 ¿Hay un avance histórico en la computación cuántica, o es demasiado pronto para hablar de ello?

El artículo de Nature’s Wednesday es el segundo intento de Google de anunciar la victoria tecnológica al mundo. La primera vez que Google hizo un gran avance en la computación cuántica apareció en septiembre de 2019 en el sitio web de la NASA, pero se eliminó rápidamente. Sin embargo, la publicación se notó y se extendió rápidamente a los especialistas, por lo que los científicos tuvieron mucho tiempo para descubrir qué hizo Google y preparar una respuesta. Por lo tanto, en el sitio de IBM el 21 de octubre (dos días antes de la publicación oficial) ya había un análisis detallado y cálculos alternativos que refutaban los argumentos de Google.

Sobre lo que Google e IBM discutieron

La “supremacía cuántica”, mencionada en el título de un artículo en Nature, no es un epíteto artístico, como “avance tecnológico” o “logro histórico”, sino un término científico estricto. Fue puesto en circulación en 2012 por una de las mayores autoridades en el campo de la computación cuántica, un estudiante de Richard Feynman, profesor del Instituto de Tecnología de California John Prescill. Así es como el mismo Preskill explica el significado del término: superioridad cuántica es “el momento en que las computadoras cuánticas pueden hacer cosas que las computadoras clásicas no pueden hacer, independientemente de si las cosas son útiles o no”. En otras palabras, para probar la “superioridad”, el investigador debe proponer una tarea arbitrariamente artificial, abstracta y divorciada de la práctica, que una computadora cuántica resolverá más rápido que la computadora clásica más rápida en este momento.

IBM tomó una posición escéptica en esta disputa con Google precisamente porque la supercomputadora más rápida hoy es IBM Summit. La velocidad de sus cálculos es de 200 petaflops, la capacidad del disco es de 250 petabytes. Simplemente no hay un sistema más poderoso en la tierra. Por lo tanto, cualquier desarrollador de una computadora cuántica que intente demostrar la “superioridad cuántica” debe guiarse por esta línea particular.

Esto no significa que IBM sea escéptico sobre las perspectivas de las computadoras cuánticas, por el contrario, la compañía está invirtiendo activamente en computación cuántica. Por ejemplo, en enero de 2019, la corporación anunció el lanzamiento de la primera “computadora cuántica universal totalmente integrada” en el mercado. Por lo tanto, hay al menos dos razones por las cuales IBM no pudo evitar aceptar la declaración de Google en su cuenta y fue el primero en responder a las noticias.

La corporación indicó en su blog que hubo un error en los cálculos de Google: Summit calcularía la misma tarea en un período mucho más corto, no en 10,000 años, sino en solo 2.5 días, y también con una confiabilidad mucho mayor. Todo lo que necesita hacer es aumentar su capacidad de almacenamiento.

¿Por qué el tamaño de la memoria es uno de los parámetros clave en esta comparación? El cálculo de Google se basa en el hecho de que una computadora clásica simplemente realizaría los mismos procedimientos secuencialmente que una cuántica, y realmente tomaría muchos miles de años hacer esto. Sin embargo, nada impide que el programador de la computadora clásica construya el cálculo de una manera diferente, guardando todo el estado del sistema cuántico en la memoria de la computadora. Cuanta más memoria se utiliza, menos cálculos intermedios son necesarios. Con una cantidad de memoria suficientemente grande, puede guardar el estado de todo el sistema cuántico a la vez. Esta es precisamente la razón de las diferencias en los cálculos: según IBM, si la memoria de una computadora clásica se incrementa de manera adecuada, realizará la tarea propuesta un millón y medio de veces más rápido de lo que estima Google.

¿Cuánto necesita la memoria de IBM Summit para hacer esto? Esto no está indicado por IBM. Además, es poco probable que IBM pueda organizar una demostración práctica de la velocidad para resolver este problema: cada hora la supercomputadora Summit está programada para un largo tiempo por delante, y no prevé un trabajo libre. Por lo tanto, debe tomar la palabra “Gigante azul”: Google realmente cometió un error. Sin embargo, ¿es este error tan crítico?

¿Había superioridad?

A pesar del error, hoy podemos decir que Google realmente logró la superioridad cuántica en el sentido estricto del término: los programadores propusieron una tarea, aunque sin significado práctico y de naturaleza puramente demostrativa, que no podría resolverse en un tiempo aceptable en los sistemas informáticos existentes.

Debe comprender que esta superioridad es temporal: IBM, por supuesto, podría aumentar la capacidad de memoria de Summit para calcular la tarea en dos días. No hay duda de que los sistemas clásicos se mejorarán aún más, y la próxima supercomputadora será aún más potente y con aún más memoria.

Sin embargo, tal carrera no puede continuar indefinidamente: para que una supercomputadora continúe compitiendo con sistemas cuánticos, su capacidad de memoria debe duplicarse cada vez que se agrega al menos un qubit a un sistema cuántico. Hoy, los sistemas cuánticos de Google e IBM contienen 53 qubits, y este es un récord para los sistemas “universales”, es decir, las computadoras cuánticas que pueden resolver cualquier problema. Deben distinguirse de los “simuladores cuánticos”, que son los sistemas existentes en el mercado basados ​​en el recocido cuántico con 2000 qubits, por ejemplo, fabricados por D-Wave. Además, los sistemas D-Wave no son universales: solo pueden resolver una clase de problemas: la búsqueda del mínimo de una función determinada.

Por el momento, la supercomputadora clásica, que disputa la “superioridad cuántica”, tiene que competir con los sistemas cuánticos de 53 qubits. Sin embargo, agregar cada nuevo qubit es equivalente a duplicar la memoria de una computadora clásica, y es obvio que el resultado de esta carrera es una conclusión inevitable. Este es un ejemplo, lo que se traduce en uno de los principales expertos en el campo de los ordenadores cuánticos Scott Aaronson: «Cumbre cubre un área equivalente al tamaño de dos campos de baloncesto …. Para cuando aparezcan las computadoras cuánticas de 70 qubits, la supercomputadora debería ser del tamaño de una ciudad “.

¿Por qué luchar por la excelencia?

Si presta atención a la segunda parte de la formulación de Preskill, puede comprender por qué hay poco sentido práctico para lograr la “superioridad cuántica”. En un futuro cercano, todas las victorias de alto perfil se lograrán en tareas muy abstractas, no aplicables en el mundo real. Además, IBM afirma que no presta atención a un parámetro como “superioridad cuántica” en absoluto, e insta al público a seguir este enfoque.

Es importante recordar que los sistemas cuánticos de hoy resuelven problemas para los cuales incluso los resultados calculados correctamente a menudo son difíciles de interpretar. Pasará mucho tiempo antes de que ingenieros y matemáticos aprendan a usar incluso sistemas cuánticos simples para resolver problemas reales. La tarea clásica de la computación cuántica futura: romper los sistemas de encriptación modernos utilizando el llamado “algoritmo Shore”, requiere un procesador de cientos de qubits, y la apariencia de tales sistemas aún no es posible predecirla.

Sin embargo, esto no significa que Google fuera inútil. La presencia de una de las compañías de TI más poderosas del mundo en este mercado, la alta competencia de IBM, Microsoft y otras compañías nos permite esperar avances significativos en el futuro cercano.

En primer lugar, se asignan grandes esperanzas a una de las áreas clave: la preservación de la coherencia de los qubits. Un aumento significativo en este parámetro aumentará el número de qubits en los sistemas, lo que aumentará la velocidad. Ya con 60 qubits, la potencia informática será comparable a 33 sistemas Summit. Y los nuevos logros de matemáticos e ingenieros permitirán el uso de sistemas cuánticos para resolver problemas reales. De lo contrario, ¿por qué solo en 2017 y 2018 la industria de la computación cuántica recibió una inversión de $ 450 millones ?