Momento de “Hola mundo” de la computación cuántica

¿Computación cuántica? ¿Realmente existe? Es apropiado que durante décadas este campo haya sido perseguido por la incertidumbre fundamental de si, eventualmente, demostraría ser una persecución salvaje. Pero Google ha colapsado esta molesta superposición con investigaciones que no solo demuestran lo que se llama “supremacía cuántica”, sino que muestran lo más importante que esto también es solo el comienzo de lo que las computadoras cuánticas eventualmente serán capaces de hacer.

Este es un punto importante en la informática, pero también es muy esotérico y técnico en muchos aspectos. Tenga en cuenta, sin embargo, que en los años 60, la decisión de construir computadoras con transistores electrónicos también debe haber parecido un punto esotérico. Sin embargo, eso fue en cierto modo el catalizador de toda la era de la información.

La mayoría de nosotros no tuvimos la suerte de involucrarnos con esa decisión o entender por qué era importante en ese momento. Tenemos la suerte de estar aquí ahora, pero la comprensión requiere un poco de explicación. El mejor lugar para comenzar es quizás con los pioneros en informática y física Alan Turing y Richard Feynman.

“Porque la naturaleza no es clásica, maldita sea”

La máquina de computación universal imaginada por Turing y otros de su generación se hizo realidad durante y después de la Segunda Guerra Mundial, pasando de tubos de vacío a transistores hechos a mano a los chips densamente empaquetados que tenemos hoy. Con ella se desarrolló una idea de computación que esencialmente decía: si se puede representar con números, podemos simularlo.

Eso significaba que la formación de nubes, el reconocimiento de objetos, la síntesis de voz, la geometría 3D, las matemáticas complejas, todo eso y más podría lograrse, con suficiente poder de cómputo, en las máquinas estándar de procesador-almacenamiento-RAM que se habían convertido en el estándar.

Pero hubo excepciones. Y aunque algunos eran cosas oscuras como paradojas matemáticas, se hizo evidente a medida que el campo de la física cuántica evolucionó que podría ser uno de ellos. Fue Feynman quien propuso a principios de los años 80 que si desea simular un sistema cuántico, necesitará un sistema cuántico para hacerlo.

“No estoy contento con todos los análisis que van solo con la teoría clásica, porque la naturaleza no es clásica, maldita sea, y si quieres hacer una simulación de la naturaleza, será mejor que sea mecánica cuántica”, concluyó , a su manera inimitable. Las computadoras clásicas, como él consideraba lo que todos los demás llamaban computadoras, eran insuficientes para la tarea.

¿El problema? No existía una computadora cuántica, y nadie tenía la menor idea de cómo construir una. Pero el guantelete había sido arrojado, y fue como la hierba gatera para los teóricos y los informáticos, que desde entonces han competido sobre la idea.

¿Podría ser que con suficiente poder de cómputo ordinario, poder en una escala que Feynman difícilmente podría imaginar – centros de datos con yottabytes de almacenamiento y exaflops de procesamiento – de hecho podemos simular la naturaleza hasta sus niveles más pequeños y espeluznantes?

¿O podría ser que con algunos tipos de problemas golpeas una pared, y que puedes poner a cada computadora en la Tierra a una tarea y la barra de progreso solo avanzará un punto porcentual en un millón de años, si eso es así?

Y, si ese es el caso, ¿es así? posible crear una computadora que funcione y que pueda resolver ese problema en un tiempo razonable?

Para demostrar que Feynman está en lo correcto, deberá responder a todas estas preguntas. Tendría que demostrar que existe un problema que no solo es difícil para las computadoras comunes, sino que efectivamente imposible para que puedan resolver incluso a niveles increíbles de poder. Y tendrías que no solo teorizar sino crear una nueva computadora que no solo puede sino que resuelve el mismo problema.

Al hacerlo, no solo probarías una teoría, abrirías una clase completamente nueva de resolución de problemas, de teorías que se pueden probar. Sería un momento en que un campo completamente nuevo de computación imprimió con éxito “hello world” y se abrió para que todos en el mundo lo usaran. Y eso es lo que los investigadores de Google y la NASA afirman haberlo logrado.

En el que pasamos por alto cómo funciona todo

Ya se ha escrito mucho sobre cómo la computación cuántica difiere de la computación tradicional, y pronto publicaré otra historia que detalla el enfoque de Google. Pero algunos conceptos básicos son dignos de mención aquí.

Las computadoras clásicas se construyen alrededor de transistores que, al retener o anular una carga, significan un 1 o un 0. Al vincular estos transistores en formaciones más complejas, pueden representar datos, o transformarlos y combinarlos a través de puertas lógicas como AND y NOR. Con un lenguaje complejo específico para las computadoras digitales que ha evolucionado durante décadas, podemos hacer que hagan todo tipo de cosas interesantes.

Las computadoras cuánticas en realidad son bastante similares, ya que tienen una unidad base en la que realizan la lógica para realizar diversas tareas. La diferencia es que la unidad es más compleja: un qubit, que representa un espacio matemático mucho más complejo que simplemente 0 o 1. En cambio, puede pensar en su estado como una ubicación en una esfera, un punto en el espacio 3D . La lógica también es más complicada, pero aún relativamente básica (y útilmente llamada puertas): ese punto se puede ajustar, voltear, etc. Sin embargo, el qubit cuando se observa también es digital, proporcionando lo que equivale a un valor 0 o 1.

En virtud de representar un valor en un espacio matemático más rico, estos qubits y sus manipulaciones pueden realizar tareas nuevas e interesantes, incluidas algunas que, como muestra Google, no teníamos la capacidad de hacer antes.

Un cuanto de artilugio

Para lograr la tarea tripartita resumida anteriormente, primero el equipo tuvo que encontrar una tarea que las computadoras clásicas encontraran difícil pero que debería ser relativamente fácil de hacer para una computadora cuántica. El problema que resolvieron es de una manera ridículamente inventada: Siendo una computadora cuántica.

En cierto modo, te dan ganas de dejar de leer, ¿verdad? Por supuesto, una computadora cuántica será mejor en sí misma que una computadora ordinaria. Pero en realidad no es tan simple.

Piense en una vieja y genial pieza de electrónica: un Atari 800. Claro, es muy bueno para ser él mismo y ejecutar sus programas, etc. Pero cualquier computadora moderna puede simular un Atari 800 tan bien que podría ejecutar esos programas en órdenes de magnitud menos tiempo. Para el caso, una computadora moderna puede ser simulada por una supercomputadora de la misma manera.

Además, ya hay formas de simular computadoras cuánticas: se desarrollaron en conjunto con hardware cuántico real para que el rendimiento pudiera compararse con la teoría. Estos simuladores y el hardware que simulan difieren ampliamente, y se han mejorado mucho en los últimos años a medida que la computación cuántica se convirtió en algo más que un pasatiempo para las principales empresas e instituciones de investigación.

Para ser específicos, el problema era simulando la salida de una secuencia aleatoria de compuertas y qubits en una computadora cuántica. En pocas palabras, cuando un circuito de qubits hace algo, el resultado es, como otras computadoras, una secuencia de 0s y 1s. Si no está calculando algo en particular, esos números serán aleatorios, pero lo más importante es que son “aleatorios” de una manera muy específica y predecible.

Piense en una bola de pachinko que cae a través de su guantelete de alfileres, agujeros y rampas. El camino que toma es aleatorio de alguna manera, pero si deja caer 10,000 bolas desde la misma posición en el mismo laberinto, habrá patrones en el lugar en que salen en la parte inferior, una extensión de probabilidades, tal vez más en el centro y menos en los bordes. Si tuviera que simular esa máquina de pachinko en una computadora, podría probar si su simulación es precisa comparando la salida de 10,000 gotas virtuales con 10,000 reales.

Es lo mismo con la simulación de una computadora cuántica, aunque, por supuesto, bastante más compleja. Sin embargo, en última instancia, la computadora está haciendo lo mismo: simulando un proceso físico y prediciendo los resultados. Y al igual que el simulador de pachinko, su precisión se puede probar ejecutando lo real y comparando esos resultados.

Pero así como es más fácil simular una máquina de pachinko simple que una compleja, es más fácil simular un puñado de qubits que muchos de ellos. Después de todo, los qubits ya son complejos. Y cuando te preguntas sobre interferencia, pequeños errores y en qué dirección irían, etc., de hecho, hay tantos factores que Feynman decidió en algún momento que no serías capaz de explicarlos a todos. Y en ese punto habrías entrado en el reino donde solo una computadora cuántica puede hacerlo: el reino de la “supremacía cuántica”.

Exponencial por favor, y que sea doble

Después de 1.400 palabras, está la frase que todos los demás pusieron en el titular. ¿Por qué? Porque la supremacía cuántica puede sonar grandiosa, pero es solo una pequeña parte de lo que se logró, y de hecho este resultado en particular puede no durar para siempre como un ejemplo de haber alcanzado esas alturas elevadas. Pero para continuar.

La configuración de Google, entonces, era simple. Configure circuitos de qubits creados al azar, tanto en su computadora cuántica como en el simulador. Comience de manera simple con unos pocos qubits haciendo un puñado de ciclos operativos y compare el tiempo que lleva producir resultados.

Tenga en cuenta que el simulador no se ejecuta en una computadora portátil al lado de la computadora cuántica del tamaño de un refrigerador, sino en Summit, una supercomputadora en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge actualmente calificado como El sistema de procesamiento único más poderoso del mundo, y no por un poco. Tiene 2,4 millones de núcleos de procesamiento, un poco menos de 3 petabytes de memoria y alcanza unos 150 petaflops.

En estas primeras etapas, el simulador y la computadora cuántica estuvieron felizmente de acuerdo: los números que escupieron, los márgenes de probabilidad, fueron los mismos, una y otra vez.

Pero a medida que se agregaron más qubits y más complejidad al sistema, el tiempo que tomó el simulador para producir su predicción aumentó. Eso es de esperar, al igual que una máquina de pachinko más grande. Al principio, los tiempos para ejecutar realmente el cálculo y simularlo pueden haber sido comparables, en cuestión de segundos o minutos. Pero esos números pronto crecieron hora por hora a medida que aumentaron hasta 54 qubits.

Cuando llegó al punto en que el simulador tardó cinco horas en verificar el resultado de la computadora cuántica, Google cambió su táctica. Debido a que más qubits no es la única forma en que la computación cuántica se vuelve más compleja (y además, no podrían agregar más a su hardware actual). En cambio, comenzaron a realizar más rondas de operaciones con un circuito dado, lo que agrega todo tipo de complejidad a la simulación por muchas razones que posiblemente no podría explicar.

Para la computadora cuántica, hacer otra ronda de cálculos toma una fracción de segundo, e incluso se multiplica por miles de veces para obtener el número requerido de corridas para producir números de probabilidad utilizables, solo terminó tomando a la máquina varios segundos adicionales.

Para el simulador, verificar estos resultados tomó una semana: un semana, en la computadora más poderosa del mundo.

En ese momento, el equipo tuvo que dejar de hacer la prueba real del simulador, ya que era muy lento y costoso. Sin embargo, aun así, nadie realmente afirmó que habían logrado la “supremacía cuántica”. Después de todo, puede haber tomado la computadora clásica más grande jamás creada miles de veces más, pero todavía se estaba haciendo.

Entonces pusieron el dial en otro par de muescas. 54 qubits, haciendo 25 ciclos, tomaron el sistema Sycamore de Google 200 segundos. Extrapolando de sus resultados anteriores, el equipo estimó que le tomaría a Summit 10,000 años.

Lo que sucedió es lo que el equipo llamó aumento exponencial doble. Resulta que agregar qubits y ciclos a una computadora cuántica agrega unos pocos microsegundos o segundos cada vez, un aumento lineal. Pero cada qubit que agrega a un sistema simulado hace que la simulación sea exponencialmente más costosa de ejecutar, y es la misma historia con los ciclos.

Imagínese si tuviera que hacer cualquier cantidad de flexiones que hice, al cuadrado, luego al cuadrado nuevamente. Si hice 1, harías 1. Si hice 2, harías 16. Hasta ahora no hay problema. Pero para cuando llegue a 10, estaría esperando durante semanas mientras terminas tus 10,000 flexiones. No es exactamente análogo a Sycamore y Summit, ya que agregar qubits y ciclos tuvo aumentos de dificultad exponencial diferentes y variables, pero se entiende la idea. En algún momento puede tener que llamarlo. Y Google lo llamó cuando la computadora más poderosa del mundo todavía estaría trabajando en algo cuando con toda probabilidad este planeta será una ruina humeante.

Vale la pena mencionar aquí que este resultado depende de alguna manera del estado actual de las supercomputadoras y las técnicas de simulación, que podrían mejorar. De hecho, IBM publicó un artículo justo antes del anuncio de Google sugiriendo que, en teoría, podría reducir significativamente el tiempo necesario para la tarea descrita. Pero parece poco probable que mejoren en múltiples órdenes de magnitud y amenacen nuevamente la supremacía cuántica. Después de todo, si agrega algunos qubits o ciclos más, se volverá más difícil en múltiples órdenes de magnitud. Aun así, los avances en el frente clásico son bienvenidos y necesarios para un mayor desarrollo cuántico.

Put Sputnik tampoco hizo mucho ’

Entonces, la computadora cuántica superó a la clásica en la tarea más ingeniosa y asimétrica que se pueda imaginar, como enfrentar una manzana contra una naranja en una competencia de “mejor cítrico”. ¿Y qué?

Bueno, como señaló el fundador del laboratorio de IA Cuántica de Google Hartmut Neven, “el Sputnik tampoco hizo mucho. Simplemente dio vueltas alrededor de la Tierra y emitió un pitido ”. Y sin embargo, siempre hablamos de una industria que tiene su“ momento Sputnik ”, porque fue cuando algo pasó de la teoría a la realidad y comenzó la larga marcha de la realidad a la banalidad.

Esa parecía ser la actitud de los demás en el equipo con el que hablé en la zona cero de computación cuántica de Google cerca de Santa Bárbara. La superioridad cuántica es agradable, dijeron, pero lo que aprendieron en el proceso fue lo que importó, al confirmar que lo que estaban haciendo no era inútil.

Básicamente, es posible que se pueda lograr un resultado como el suyo, independientemente de si la computación cuántica realmente tiene futuro. Apuntando a una de las docenas de gráficos y diagramas casi incomprensibles que me trataron ese día, el líder de hardware y el teórico cuántico de larga data John Martínez explicó un resultado crucial: la computadora cuántica no estaba haciendo nada extraño e inesperado.

Esto es muy importante cuando se hace algo completamente nuevo. Era completamente posible que en el proceso de conectar docenas de qubits y obligarlos a bailar al ritmo de los sistemas de control, voltear, enredar, desconectar, etc., bueno, alguna cosa podría suceder.

Tal vez resultaría que los sistemas con más de 14 qubits enredados en el circuito producen una gran cantidad de interferencia que interrumpe la operación. Tal vez una fuerza desconocida podría causar que los fotones de qubit secuenciales se afecten entre sí. Tal vez las puertas secuenciales de ciertos tipos causarían que el qubit se decohere y rompa el circuito. Son estas incógnitas desconocidas las que han causado tanta duda sobre si, como se preguntó al principio, la computación cuántica realmente existe como algo más que un truco de salón.

Imagínese si descubrieran que en las computadoras digitales, si unía demasiados transistores, todos ellos espontáneamente perdieron su carga y pasaron a 0. Eso pondría una enorme limitación en lo que una computadora digital basada en transistores era capaz de hacer. Hasta ahora, nadie sabía si existía tal limitación para las computadoras cuánticas.

“No existe una nueva física que haga que esto falle. Esa es una gran lección “, dijo Martínez. “Vemos los mismos errores, ya sea que tengamos un circuito simple o complejo, lo que significa que los errores no dependen de la complejidad o el enredo computacional, lo que significa que la computación cuántica compleja que se está realizando no tiene fragilidad. porque estás haciendo un cálculo complejo “.

Operaron una computadora cuántica en complejidades más altas que nunca, y no sucede nada extraño. Y basándose en sus observaciones y pruebas, descubrieron que no hay razón para creer que no pueden tomar este mismo esquema hasta, por ejemplo, mil qubits e incluso una mayor complejidad.

Hola Mundo

Ese es el verdadero logro del trabajo que hizo el equipo de investigación. Descubrieron que, en el proceso de lograr el hito exagerado de la superioridad cuántica, las computadoras cuánticas son algo que puede seguir mejorando y lograr más que simplemente resultados experimentales interesantes.

Esto de ninguna manera fue un hecho, como todo lo demás en el mundo, cuántico o clásico, todo es teórico hasta que lo pruebes.

Significa que en algún momento pronto, aunque nadie puede decir cuándo, las computadoras cuánticas serán algo que la gente usará para realizar tareas reales. De aquí en adelante, es cuestión de mejorar, no probar la posibilidad; de escribir código, sin teorizar si el código puede ejecutarse.

Va de la propuesta de Feynman de que se necesitará una computadora cuántica para usar una computadora cuántica para lo que sea que la necesite. Es el momento de “hola mundo” para la computación cuántica.

Feynman, por cierto, probablemente no se sorprendería. Sabía que tenía razón.

El artículo de Google que describe su trabajo fue publicado en la revista Nature. Puedes leerlo aquí.