Los ordenadores cuánticos y los superordenadores clásicos están condenados a entenderse. Esto es, al menos, lo que defienden los expertos en computación cuántica con los que hemos hablado, entre los que se encuentran Ignacio Cirac, director de la División Teórica del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (Alemania) y uno de los padres fundacionales de los ordenadores cuánticos, o Juan José García Ripoll, investigador del Instituto de Física Fundamental del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).
Cirac, Ripoll y muchos otros científicos creen que a los ordenadores cuánticos plenamente funcionales y con la capacidad de enmendar sus propios errores que con un poco de suerte llegarán en el futuro no se les dará bien resolver cualquier problema. En algunos escenarios, como la simulación cuántica que permitirá diseñar materiales exóticos, el diseño de fármacos o los problemas de optimización, es probable que los ordenadores cuánticos tengan ventaja. Pero en otras aplicaciones es posible que los superordenadores clásicos rindan mejor.
Curiosamente, a pesar de que, como acabamos de comprobar, parecen estar destinados a convivir, existe cierta rivalidad sana entre algunos investigadores especializados en superordenadores y sus colegas del ámbito de lo cuántico. Lo que sucedió entre IBM y Google a finales del año 2019 cuando esta última compañía aseguró haber alcanzado la supremacía cuántica nos recuerda lo saludable que es esta rivalidad y en qué medida puede contribuir al desarrollo tanto de los ordenadores cuánticos como de los superordenadores clásicos.
Los superordenadores clásicos pueden imitar y superar a los ordenadores cuánticos
IBM es una de las compañías que han apostado con más contundencia por los ordenadores cuánticos, por lo que no es en absoluto sospechosa de querer menospreciar sus capacidades frente a las de los superordenadores. El argumento que llevó a un grupo de investigadores de esta compañía a poner en duda que el equipo de Google liderado por John Martinis hubiese alcanzado la supremacía cuántica consistía en que ellos podían resolver el mismo problema utilizando un superordenador en un plazo de tiempo perfectamente asumible y manejable por una máquina clásica.
Las aguas que discurrían entre IBM y Google no tardaron en volver a su cauce, pero muchos grupos de investigación continúan trabajando en el diseño de estrategias que permitan a los superordenadores clásicos entregarnos un rendimiento equiparable al de los ordenadores cuánticos en aquellas tareas que presumiblemente se les dan bien a estos últimos. Eso sí, utilizando menos recursos. Uno de estos grupos de trabajo reside en la Universidad de Nueva York y hace tan solo unos días publicó un artículo interesantísimo en el que asegura haber ideado un método muy innovador que permite acelerar drásticamente el rendimiento e incrementar la precisión de los ordenadores clásicos.
Algunos grupos de investigación trabajan en el diseño de estrategias que permitan a los superordenadores clásicos entregarnos un rendimiento equiparable al de los ordenadores cuánticos
A diferencia de estos últimos, que, como todos sabemos, trabajan con una unidad mínima de información conocida como bit que en un momento dado puede adquirir uno de dos valores posibles (0 o 1), los ordenadores cuánticos trabajan con cúbits o bits cuánticos. A diferencia de los bits no tienen un único valor en un momento dado; lo que tienen es una combinación de los estados cero y uno simultáneamente. Pueden tener mucho de estado cero y poco de estado uno. O mucho de estado uno y poco de estado cero. O lo mismo de ambos. O cualquier otra combinación de estos dos estados que se nos ocurra.
Aquí reside precisamente la gran capacidad de cálculo que tienen los ordenadores cuánticos, pero es importante que no pasemos por alto que las condiciones que es necesario preservar para mantener el estado interno de los cúbits son tan exigentes que estas máquinas "olvidan" con cierta facilidad la información con la que trabajan. Este fenómeno se conoce como decoherencia cuántica, y cuando aparece el ordenador cuántico pierde la ventaja que le dan los efectos cuánticos y pasa a comportarse como un ordenador clásico (explicamos con más detalle este mecanismo en este artículo).
Además, en el ámbito estrictamente práctico los ordenadores cuánticos plantean otro desafío a los investigadores: es difícil traducir la información cuántica para tratarla como información clásica asimilable en la resolución de un problema. En su artículo publicado en PRX Quantum los investigadores de la Universidad de Nueva York que he mencionado unas líneas más arriba demuestran que un ordenador clásico puede ser configurado para entregarnos un rendimiento equiparable, o, incluso, mayor, que el de un ordenador cuántico de última generación. Además, la precisión de sus cálculos puede ser cuando menos equiparable.
La red tensor representa con mucha precisión la interacción que se produce entre los cúbits del ordenador cuántico
A grandes rasgos la estrategia que utilizan en el algoritmo que han diseñado consiste en preservar únicamente aquella parte de la información almacenada en el estado interno del ordenador cuántico necesaria para llevar a cabo el cálculo correctamente, y que puede ser manejada por el ordenador clásico. "Este trabajo demuestra que hay muchos caminos que potencialmente podemos seguir a la hora de llevar a cabo cálculos, reconciliando así las aproximaciones clásica y cuántica en la resolución de los problemas", sostiene Dries Sels, uno de los autores del artículo y profesor asistente perteneciente al Departamento de Física de la Universidad de Nueva York.
No obstante, su estrategia tiene un ingrediente más que no podemos pasar por alto: utilizan un tipo de red tensor (tensor network) que es capaz de representar con mucha precisión la interacción que se produce entre los cúbits del ordenador cuántico. Un tensor es en esencia un conjunto de números organizados en una estructura multidimensional, de modo que una red tensor es una estructura de datos que permite representar y procesar la información de una forma eficiente cuando es necesario lidiar con datos multidimensionales como los que manejan los ordenadores cuánticos.
Trabajar con redes tensor es difícil, pero, aun así, la propuesta de estos científicos pone encima de la mesa los desafíos que podemos afrontar gracias al desarrollo constante que están experimentando tanto los ordenadores cuánticos como las estrategias de procesamiento de la información en el dominio de los ordenadores clásicos.
Más información | PRX Quantum
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cuspide
En la computación clásica dos bits podrían tener estos estados:
0 y 0
0 y 1
1 y 0
1 y 1
En la computación cuántica, 2 qubits podrían tener estos estados:
0 y 0
0 y 1
1 y 0
1 y 1
Que en esencia son los mismos estados, pero siempre van acompañados de un coeficiente de superposición que, para que nos entendamos pronto y rápido, son las probabilidades de que estén en 0 o 1 a la hora de observarlos. No es correcto usar la palabra "probabilidad", pero entendámoslo como un número que te dice si está más inclinado hacia el estado 0 o al 1. Si le dices a tu amigo que lance un yoyó a escondidas de ti, podríamos entenderlo como las probabilidades de que ese yoyó se esté enrollando (estado 0) o se esté desenrrollando (1) al ir a observarlo. Y para evitar usar el concepto "probabilidad", también podríamos decir que sería la longitud de la cuerda en el momento de la observación. En la vida real un qubit puede ser el espín de un electrón (si gira hacia izquierda o derecha), un fotón (que gira igual), un circuito superconductor, etc.
Ese número (la longitud de la cuerda del yoyó) asignado al estado es el coeficiente de superposición y es en realidad un número virtualmente infinito (con muchos decimales, tantos como puedas medir), por lo tanto, 2 qubits almacenan 2 números distintos enormes y 2 bits sólo un 0 y un 1. La diferencia es simplemente abismal.
El problema de los qubits es que toda esa información se pierde a la hora de observarla, es como el caso del yoyó, cuando vayas a mirarlo, sólo te dará tiempo a ver si se estaba enrollando o desenrrollando en el momento en que lo miraste, pero no recordarás la longitd exacta de la cuerda, y eso es una gran pérdida. Peeero la gracia de un sistema de qubits (más de un qubit) es que si se hacen trabajar a la vez y de forma conjunta entre ellos, pueden "compartirse" todos estos números entre ellos para, al final, dar un resultado en forma de estado 0 o 1. Sería el resultado de una operación increíblemente compleja, por la enormidad de los números con los que han trabajado, y que al final obtienes en forma de respuesta sencilla con un 1 o un 0, o con un "sí" o un "no".
La cuestión es que los qubits cuando están "trabajando" con estos números almacenan muchísima información. Se estima que sólo 60 qubits almacenan más información que el supercomputador más potente de la Tierra y si consideráramos que cada átomo del Universo conocido fuera un bit, si no recuerdo mal, sólo unos 270 qubits podrían almacenar toda esa información.
Desconocía la teoría del tensor network pero parece interesante. Al final, en teoría cuántica cuanto más grande es el sistema que se quiere usar como qubit más difícil es conseguir ese coeficiente de superposición (la gracia es que sea completamente aleatorio y cuanto más grande más difícil) y entiendo que lo que están investigando, reduciendo al más grande de los absurdos, es precisamente en conseguir algo mega-aleatorio usando algoritmos de computación clásicos. Espero que lo consigan, aunque me resulta difícil de imaginar que pueda servir para solucionar los mismos problemas que un ordenador cuántico "puro" pueda. Y perdón por el tocho-post.
antoniobf649
Este comentario era una respuesta al comentarista Cufloc. No sé por qué ha aparecido aquí. En fin:
Le acabo de preguntar a ChatGPT:
¿Es un ordenador clásico mejor que uno cuántico?
Copio y pego la respueta:
Depende de lo que se esté buscando. Un ordenador clásico es más adecuado para tareas cotidianas como navegar por internet, enviar correos electrónicos y usar programas de oficina. Por otro lado, un ordenador cuántico es capaz de realizar cálculos extremadamente complejos de forma mucho más rápida que un ordenador clásico, lo que lo hace ideal para ciertas aplicaciones en campos como la criptografía, la inteligencia artificial y la simulación de sistemas cuánticos.
En resumen, no se puede decir que un tipo de ordenador sea inherentemente mejor que el otro, ya que cada uno tiene sus propias ventajas y desventajas dependiendo del uso que se le vaya a dar.
joanvilavalls
La pregunta de si un ordenador clásico puede ser mejor que uno cuántico depende del contexto y de lo que se entienda por "mejor". Los ordenadores cuánticos están diseñados para resolver ciertos tipos de problemas de manera mucho más eficiente que los ordenadores clásicos, especialmente en áreas como la factorización de números grandes, la optimización combinatoria y la simulación de sistemas cuánticos.
Sin embargo, los ordenadores cuánticos aún se encuentran en una etapa temprana de desarrollo y enfrentan desafíos significativos en términos de estabilidad, escalabilidad y corrección de errores. En la actualidad, los ordenadores cuánticos tienen un rendimiento limitado y solo son superiores en ciertas tareas específicas para las que están optimizados.
Los ordenadores clásicos, por otro lado, han alcanzado un alto grado de madurez y son excelentes para una amplia gama de tareas, especialmente aquellas que no están relacionadas con la computación cuántica.
En términos de cuándo un ordenador clásico podría superar a un ordenador cuántico en ciertos aspectos, eso es difícil de predecir. Dependerá del progreso continuo en la investigación y desarrollo de la computación cuántica, así como de los avances en la eficiencia y potencia de los ordenadores clásicos. Es posible que en algunos casos específicos, como problemas muy pequeños o mal diseñados para la computación cuántica, un ordenador clásico pueda superar a uno cuántico en algún momento futuro. Sin embargo, en términos generales y para la mayoría de los problemas para los que se diseñan los ordenadores cuánticos, es poco probable que los ordenadores clásicos sean superiores.
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