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Google y la supremacía cuántica

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Thursday, October 17, 2019

Google y la supremacía cuántica



Hace unas semanas se filtró un artículo científico en el que el grupo de John Martinis (Google) afirmaba que había alcanzado la supremacía cuántica usando un procesador cuántico de 53 qubits (bits cuánticos). Esto significa que Google ha sido capaz de realizar un cálculo utilizando un procesador cuántico que ningún ordenador convencional que existe actualmente hubiese sido capaz de realizar en un tiempo razonable. Cuando digo ningún ordenador convencional me refiero a que el superordenador más potente que existe ahora mismo, el Summit de IBM, hubiese tardado unos 10000 años en hacer ese mismo cálculo.







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Aunque el artículo oficial todavía no ha aparecido en ninguna revista especializada (hay rumores de que ha sido aceptado en Nature), este logro es un hito en la historia de la computación y en el campo de las tecnologías cuánticas.

El algoritmo que Google ha implementado en su procesador cuántico Sycamore consiste en secuencias de puertas lógicas cuánticas aleatorias. Este algoritmo produce cadenas de 53 bits compuestas por 1 y 0 aleatorios. Algunos ejemplos son

|1001101111101...010100\rangle

|0101100100101...010100\rangle

|1111100011101...010111\rangle

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Imagen del procesador Sycamore



Primero, se aplica una puerta lógica para cambiar el estado de los qubits individualmente seguido otra puerta lógica que involucra dos qubits. Este conjunto de operaciones determina un ciclo. Tras aplicar esta secuencia un número determinado de ciclos y leer el estado de los qubits obtenemos una secuencia de 1 y 0. Debido a la naturaleza cuántica del sistema no todas la cadenas de 1 y 0 son igual de probables por lo que repitiendo el cálculo muchas veces y comparando la distribución teórica de estas cadenas con la experimental se puede saber si el procesador cuántico está funcionando como debe.





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Esquema de puertas lógicas cuánticas utilizadas para el experimento de supremacía cuántica







El truco de esto es que calcular un número suficientemente grande de cadenas de 1 y 0 usando ordenadores convencionales requiere demasiado tiempo si el número de ciclos es grande. Por ejemplo, calcular un millón de cadenas compuestas por 53 unos y ceros lleva alrededor de 200 segundos en el procesador cuántico, mientras que utilizando el supercomputador más potente que existe nos llevaría alrededor de 10000 años.

¿Cómo ha hecho Google para verificar el correcto funcionamiento de Sycamore?



Google ha creado un modelo del funcionamiento de su procesador a partir de los errores al aplicar las puestas lógicas y la lectura de los qubits, y ha realizado cálculos que se pueden simular utilizando superordenadores para compararlos con el modelo. Dado que los resultados se adecuan bastante bien al modelo, el funcionamiento de Sycamore en el régimen de supremacía cuántica se compara con una extrapolación de ese modelo.



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a) Comparación del modelo del procesador (linea negra) con distintas verificaciones en ordenadores clásicos. b) extrapolación de la predicción en el régimen de supremacía cuántica



¿Por qué alcanzar la supremacía cuántica supone un logro tan importante?







Como todos sabemos, antes de empezar a correr hay que echar a andar. Este logro es una prueba experimental de que los ordenadores cuánticos pueden realizar ciertas tareas mucho mejor que los ordenadores clásicos. Sin embargo, no es más que un paso en la carrera de larga distancia que es la computación cuántica. Aún queda mucho camino antes de poder resolver problemas útiles como la factorización en números primos, la simulación de procesos químicos o el diseño de fármacos.



También supone el primer contraejemplo a una de las más famosas conjeturas del campo de la computación: la tesis extendida e Church – Turing, aunque esto no es ninguna sorpresa, pero había que implementar un caso práctico.

Por último, este hito sirve para afianzar la confianza en el campo de la computación cuántica, el interés en ella y que se sigan invirtiendo recursos para desarrollar todo el potencial de esta tecnología.

¿Cuál es el potencial de este procesador cuántico?



El algoritmo implementado en Sycamore tiene una utilidad práctica cercana a ninguna. Se podría utilizar para generar números aleatorios, aunque existen alternativas muchos más simples y baratas, por ejemplo usando fotones. También se podrían intentar implementar otros algoritmos cuánticos, pero debido al diseño de las puertas lógicas de 2 qubits primero éstos deberían ser adaptados, algo que no es nada fácil. Seguramente se pueda seguir experimentando con este procesador para aprender más sobre la interacción entre sistemas de múltiples qubit lo que dará lugar a mejoras en su control. Este procesador ha sido diseñado con la única misión de demostrar la supremacía cuántica y así lo ha hecho.

Todavía queda mucho para disponer de un dispositivo que sea capaz de romper los protocolos de encriptación sobre los que se apoya la ciberseguridad del mundo o ser capaces de diseñar fármacos utilizando la computación cuántica. John Martinis y su equipo han sido lo suficientemente habilidosos como para encontrar e implementar algoritmo que esta fuera de los alcances de los ordenadores ordinarios, y aunque parezca algo con poca utilidad práctica lo que han conseguido es impresionante.







Ver información original al respecto en Fuente >

https://mientrasenfisicas.wordpress.com/2019/10/06/google-y-la-supremacia-cuantica/

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