Un sistema de computación cuántica desarrollado por Google con el nombre de Sycamore ha realizado en doscientos segundos una tarea que, según los cálculos de la compañía, le hubiera costado 10.000 años al superordenador más potente del mundo. El avance de Google, ahora integrado en el grupo Alphabet y declarada como misión organizar la información del mundo para que todos puedan acceder a ella y usarla, se presenta online en la revista Nature como la primera demostración empírica del concepto de supremacía cuántica, predicho por la física teórica y que defiende que los ordenadores cuánticos serán capaces de realizar tareas fuera del alcance de los ordenadores convencionales.
El problema técnico para desarrollar aplicaciones del ordenador cuántico según los expertos es que, a diferencia de los bits o unidades básicas clásicas de la informática, ordenados en series a partir de optar entre dos valores (cero o uno), los qubits pueden adoptar ambos valores a la vez, gracias a una propiedad de la física cuántica de las partículas llamada superposición. Esto permite aumentar la capacidad de computación de manera exponencial con cada nuevo qubit que se añade al sistema. Pero los qubits deben mantenerse a temperaturas próximas al cero absoluto, y estar aislados para evitar perturbaciones de otras partículas.
Esta dificultad técnica ha limitado hasta ahora el desarrollo de la computación cuántica, pues cuantos más qubits se intentan añadir a un sistema más fácil es que pierdan sus propiedades de computación. Pero el problema parece en vías de resolución gracías a las trampas de iones que merecieron en 2012 el Premio Nobel de Física concedido a Serge Haroche y David J. Wineland por sus “métodos experiementales que permiten la medida y manipulación de sistemas cuánticos individuales”. El primer gran paso había sido dado en la década de los 70´s cuando Schlowlow (1975) propuso enfriar átomos neutros usando enfriamiento Doppler. Tres años más tarde, dos grupos independientes, liderados por Wineland y Neuhauser, realizaron el primer experimento con iones y en 1980 que fue posible observar un ion completamente aislado.
Gracias a aquella proeza de la ciencia, el grupo de Wineland desarrolló y mantiene varios relojes que usan iones de plata y de aluminio y que sólo atrasarían o adelantarían unos pocos segundos durante un tiempo igual a la vida entera de nuestro universo, estimama en unos 13 500 millones de años. Así lo relata el físico cuántico argentino Juan Pablo Paz en su reciente libro LA F ÍSICA CUÁNTICA. Todo sobre la teoría capaz de explicar por qué los gatos pueden estar vivos y muertos a la vez.
Sundar Pichai, director ejecutivo de Google.
Es “un hito en la computación de importancia comparable a los primeros vuelos de los hermanos Wright”, destaca William Oliver, investigador del Instituto de Tecnología de Massachusetts, quien participó en el proyecto de Google, en un artículo de valoración del trabajo publicado en Nature.Pero al igual que pasaron décadas entre los vuelos de los hermanos Wright y el desarrollo de la aviación comercial, el nuevo sistema de computación cuántica no tendrá aplicaciones prácticas a corto plazo.
Estas analogías fueron compartidas por Sundar Pichai, director ejecutivo de Google, en una entrevista con MIT Technology Review recogida por la agencia china Xinhua, según la cual Google, Intel, Microsoft, Honeywell, Rigetti Computing e IBM están investigando computadoras cuánticas para propósitos generales: A pesar de que la computadora cuántica funciona en un entorno extremadamente controlado, todavía es complicada y exótica y no es probable que reemplace a la computadora clásica en este momento, señaló. Pero el resultado ofreció evidencias de que las computadoras cuánticas podrían salir de los laboratorios de investigación y dirigirse hacia la computación convencional, afirmó Pichai. Tendremos que construir una computadora cuántica tolerante a averías con más qubits de modo que pueda generalizarlos mejor, ejecutarlos por períodos más largos y así poder correr algoritmos más complejos, dijo.Pero como ya saben, para realizar grandes avances en cualquier campo hay que empezar por alguna parte. Tomemos prestada una analogía: los hermanos Wright. El primer avión voló únicamente 12 segundos, de modo que no había una aplicación práctica de ello. Pero mostró la posibilidad de que un avión podía volar.
Las computadoras cuánticas son completamente diferentes de las tradicionales. Las computadoras clásicas almacenan y procesan datos como bits individuales, sean unos o ceros, mientras que las computadoras cuánticas utilizan una base diferente, el qubit, que puede almacenar una combinación de diez diferentes estados entre 1 y 0 al mismo tiempo a través de un fenómeno llamado superposición.Además, múltiples qubits pueden agruparse a través de otro fenómeno cuántico llamado entrelazamiento, de modo que una computadora cuántica tienen capacidad para explorar un vasto número de posibles soluciones a un problema al mismo tiempo.
En principio, el desempeño de una computadora cuántica puede crecer de forma exponencial si el fabricante añade más qubits, pero la inestabilidad causaría que los qubits pierdan datos, de modo que los investigadores batallan en sus esfuerzos de técnicas de corrección de errores a fin de permitir que los cálculos eviten tales problemas.
Las aplicaciones posibles incluyen además de la información digital desarrollo de fármacos, creación de nuevos materiales, control de GPS, criptografía, relojes de precisión casi infinita, etc
A más largo plazo, las aplicaciones potenciales incluyen de la física cuántica incluyen, entre muchas otras, el desarrollo de fármacos, la creación de nuevos materiales o la optimización del tráfico. Para ubicarnos en la Tierra, nuestro GPS recibe la señal de al menos tres satélites que le indican la hora que marcan los relojes atómicos que viajan en su interior (cada satélite tiene dos o tres relojes de cesio y otros tantos de otro material, rubidio). Conociendo la diferencia horaria entre las señales de los satélites, nuestro GPS puede calcular nuestra posición. La precisión del método depende de que los relojes en los satélites se mantengan bien sincronizados, ya que cualquier pequeña diferencia causaría problemas importantes: si el reloj de uno de los satélites se atrasase una milésima de segundo, nuestro GPS nos desviaría alrededor de 300 km de nuestro destino, dice en su libro Juan Pablo Paz, quien recuerda que ahora el segundo se define como el tiempo necesario para que la onda luminosa proveniente de una de las líneas del espectro del átomo de cesio-133 oscile 9 192 631 770 veces. Estos relojes atómicos atrasan o adelantan muy poco, pero su precisión depende de lograr una muy buena definición en la frecuencia de la luz emitida. Para eso, como vimos, es necesario que los átomos de cesio que emiten la luz –que no es visible, sino que es del tipo de las microondas– tengan una temperatura lo más baja posible mediante el uso del enfriamiento láser. Con las trampas de iones se intenta superar la precisión de los relojes atómicos más sofisticados.
Los ordenadores cuánticos “tendrán un impacto que no podemos prever, pero que será enorme”, predijo el físico Ignacio Cirac, director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y pionero de la computación cuántica, en una entrevista con La Vanguardia el año pasado. “No sólo acelerarán muchos cálculos, sino que permitirán realizar cálculos que ahora no son posibles”.
La supremacía cuántica se ha demostrado en una tarea de identificación de patrones en una serie de números aparentemente aleatorios, sin ambición de tener utilidad práctica. El equipo de Google ha desarrollado el procesador cuántico Sycamore formado por 54 qubits, o bits cuánticos.
En el caso del procesador Sycamore, uno de los qubits funcionó de manera defectuosa, por lo que el experimento se realizó finalmente con 53 qubits. Estos 53 qubits pueden adoptar unos 10.000 billones de estados cuánticos distintos (o 2 elevado a la potencia 53).
En la computación digital, un bit solo puede tomar dos valores (0 o 1), mientras en la computación cuántica intervienen las leyes de la mecánica cuántica y la partícula puede estar en superposición coherente. Esto significa que puede ser 0, 1 y 0 y 1 a la vez (dos estados ortogonales de una partícula subatómica). Ello permite que realizar varias operaciones a la vez, según el número de cúbits. Este número de cúbits indica la cantidad de bits que pueden estar en superposición. Con los bits convencionales, si se tenía un registro de tres bits, había ocho valores posibles y el registro solo podía tomar uno de esos valores. En cambio, si se tenía un vector de tres cúbits, la partícula puede tomar ocho valores distintos a la vez gracias a la superposición cuántica. Así, un vector de tres cúbits permitiría un total de ocho operaciones paralelas. Cabe esperar así que el número de operaciones sea exponencial con respecto al número de cúbits. Entonces se decía que para dar una idea del gran avance que un computador cuántico de 30 cúbits equivaldría a un procesador convencional de 10 teraflops (10 millones de millones de operaciones en coma flotante por segundo), cuando actualmente la supercomputadora Summit tiene la capacidad de procesar 200 petaflops.
Entrelazando bits cuánticos individuales, un ordenador cuántico podría resolver problemas mucho más velozmente que uno de memoria digital magnética binaria. A partir del año 2005, el equipo dirigido por Rainer Blatt superó su propio récord de entrelazamiento de bits cuánticos; en abril de 2011 superaron el límite de 8 bits y hasta 2011 no se había logrado controlar el entrelazamiento de ocho partículas, lo que significa un byte cuántico. Pero desde entonces enseguida se duplicó ese límite confinando 14 átomos de calcio dirigidos con haces de láser en una trampa de iones; de este modo los estados internos de cada átomo constituyen qubits y por este método en abril de 2011 produjeron un registro cuántico de 14 qubits, lo que se consideraba la base de un próximo ordenador cuántico.
Los mismos investigadores del equipo de Monz y Blatt descubrieron que cuando hay varias partículas entrelazadas la sensibilidad del sistema aumenta de modo significativo. Tal proceso raramente se había observado en procesos cuánticos y resulta importante no sólo para construir ordenadores cuánticos, sino también para hacer relojes atómicos de extrema precisión y para realizar simulaciones cuánticas.
Colaboraciones públicas de EEUU y Alemania con Google
Han colaborado con Google en el proyecto trece instituciones científicas de Estados Unidos y Alemania, que incluyen universidades, centros de supercomputación y la NASA. Entre las entidades públicas que la preceden en el ranking global de investigación difugan, además de varias chinas, Harvard University, Harvard Medical School, National Institutes of Health, Massachusetts Institute of Technology, Stanford University, y Helmholtz Gemeinschaft, que es la organización científica más grande de Alemania, integrada por 18 centros públicos de investigación científico-técnicos y biológico-médico. La misión oficial de la Asociación es "la solución de los grandes retos de la ciencia, la sociedad y la industria".
El rendimiento del procesador cuántico Sycamore se comparó con el del superordenador Summit instalado en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee. Con una capacidad de 200 billones de operaciones por segundo, Summit es actualmente el superordenador más potente del mundo. Pero fue incapaz de igualar las prestaciones del Sycamore.
En un primer test con una muestra de sólo un millón de muestras de números aleatorios, Sycamore necesitó 200 segundos para resolver la prueba. A Summit le bastaron 130, aunque después necesitó cinco horas más para verificar que su resultado era correcto.Pero en cuanto se aumentó la complejidad del test, Sycamore siguió dando resultados en 200 segundos. Un cálculo de cuánto habría que esperar para que Summit llegara al mismo resultado concluyó que le harían falta 10.000 años, y que necesitaría varios millones de años adicionales para completar los tests de verificación.
IBM cuestiona que Google haya conseguido la supremacía cuántica
El anuncio de Google ha desatado una polémica con la compañía IBM, que construyó el superordenador Summit. IBM asegura que no le harían falta 10.000 años sino sólo dos días y medio para igualar el cálculo de Sycamore. Sigue siendo mucho más de doscientos segundos pero ya no sería un cálculo que quede fuera del alcance de los ordenadores actuales, que es el concepto que se utiliza para definir la supremacía cuántica.
“Lo que ha conseguido Google es un hito brutal”, señala no obstante José Ignacio Latorre, físico de la Universitat de Barcelona (UB) que lidera la iniciativa para construir un ordenador cuántico en Catalunya. “Centrar el debate en la cuestión semántica de si se ha conseguido o no la supremacía cuántica sería un error. Es un avance extraordinario que hace cinco años nadie hubiera predicho”.
“Se había cuestionado si algún día se podría controlar en la práctica un ordenador cuántico suficientemente grande”, señala William Oliver en su artículo en Nature. Los nuevos resultados demuestran “la viabilidad de la computación cuántica en un espacio computacional excepcionalmente grande”, con un tamaño de por lo menos 10.000 billones de estados cuánticos. Además, “sugiere que los ordenadores cuánticos representan un modelo de computación fundamentalmente distinto del de los ordenadores clásicos”, lo que abre la vía a avances científicos y tecnológicos aún insospechados.
Ya hace cinco años, una de las herramientas más utilizadas para evaluar cuáles son los mejores centros de ciencia a nivel internacional en la clasificación actual situó a Google por primera vez entre las diez mejores entidades de I+D del planeta. Se trata de SCImago-Institutions Rankings (SIR), ranking desarrollado por el grupo de investigación SCImago LAB, firma tecnológica española derivada del Consejo Superior de Investigaciones Cientificas (CSSIC). Desde entonces Google se mantiene invariable en esa décima posición, en el año 2019 por quinto año consecutivo, aunque es la primera entidad privada que encabeza ese ranking.
Los líderes mundiales en investigación que preceden a Google, tambien con posiciones invariables en los últimos años, son centros públicos, educativos o de salud de China, Francia, Estados Unidos, Alemania, a los que tras la primera privada Google sigue la Russian Academy of Sciences en décimo primera posición. La universidad británica de Oxford ocupa la décimo tercera posición en representación del tercer pais europeo y el citado Consejo Superior de Investigaciones Cientificas (CSSIC) la vigésimo primera posición mundial.
La lista de entidades que preceden a Google en este ranking son: 1 Chinese Academy of Sciences (CHN Government), 2 Centre National de la Recherche Scientifique (FRA Government), 3 Ministry of Education of the People's Republic of China (CHN Government),4) Harvard University (USA Higher educ),5 Harvard Medical School (USA Higher educ), 6 Helmholtz Gemeinschaft (DEU Government), 7 National Institutes of Health (USA Health) ,8 Massachusetts Institute of Technology (USA Higher educ) y 9 Stanford University (USA Higher educ ).
El SCImago-Institutions Ranking 2017 es una clasificación de las universidades y los centros de investigación realizada con una combinación de indicadores que valoran el rendimiento en I+D, los resultados de la innovación y el impacto social medido por su visibilidad en la web. Podríamos pensar que Google se ha colado entre las diez mejores instituciones científicas por la tremenda huella que ha dejado en la sociedad. Sin embargo, el grupo de investigación SCImago LAB solo incluye a las universidades, centros y empresas en su clasificación si han publicado al menos cien trabajos de ciencia incluidos en la base de datos Scopus, propiedad de la editorial Elsevier, como explican en la metodología del análisis.
