Google revela cómo las computadoras cuánticas pueden superar a las supercomputadoras modernas

Google revela cómo las computadoras cuánticas pueden superar a las supercomputadoras modernas

Desde que se concibieron las primeras computadoras cuánticas a principios de la década de 1980, los investigadores han estado esperando el día en que estos dispositivos Puede resolver problemas que son demasiado difíciles para las computadoras clásicas.. En los últimos cinco años, estas máquinas han comenzado a desafiar a sus homólogos clásicos, aunque hasta ahora la victoria definitiva sobre ellos ha sido difícil de alcanzar.

En la fase actual de la batalla por la llamada "ventaja cuántica", los investigadores de Google dicen haber determinado las condiciones bajo las cuales Computadoras cuánticas pueden superar a sus colegas clásicos. Para comprender estas condiciones, utilizaron un procesador cuántico llamado Sycamore para ejecutar un muestreo de circuito aleatorio (RCS), un algoritmo cuántico simple que esencialmente produce una secuencia aleatoria de valores.

El equipo analizó la producción de Sycamore y descubrió que las supercomputadoras clásicas podían "engañarla" o vencerla en un modo de alto ruido mientras ejecutaba RCS. Sin embargo, cuando las perturbaciones se redujeron a un cierto umbral, el cálculo de Sycamore se volvió tan complejo que realizar una parodia fue efectivamente imposible: se estimó que la supercomputadora clásica más rápida del mundo tardaría diez billones de años. Esta realización fue inicialmente en una preimpresión informó sobre el servidor arXiv el año pasado y hoy en Nature 1 publicado.

Los expertos cuánticos enfatizan que esto representa una evidencia convincente de que Sycamore es capaz de superar a cualquier computadora clásica que ejecute RCS. En 2019, Google informó que su computadora cuántica podría ejecutar RCS y lograr una ventaja cuántica. Sin embargo, desde entonces, las computadoras clásicas han ejecutado el algoritmo más rápido de lo estimado, anulando la supuesta ventaja. Michael Foss-Feig, investigador de computación cuántica de la empresa de software Quantinuum en Broomfield, Colorado, explica: "Google ha hecho un excelente trabajo aclarando y solucionando muchos problemas conocidos con RCS". Los nuevos resultados muestran cuánto ruido pueden tener las computadoras cuánticas y aún así superar a las computadoras clásicas.

La competencia actual entre las computadoras clásicas y cuánticas es un factor determinante en este campo, según Chao-Yang Lu, físico cuántico de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Shanghai. Esta competencia ha motivado a los investigadores a construir computadoras cuánticas más grandes y de mayor calidad.

Sin embargo, el último resultado de Google no significa que los ordenadores cuánticos vayan a sustituir a los clásicos. Por ejemplo, Sycamore no puede realizar operaciones típicas de una computadora normal, como guardar fotos o enviar correos electrónicos. Sergio Boixo, director del proyecto de computación cuántica de Google en Santa Bárbara, California, explica: "Las computadoras cuánticas no son más rápidas, son diferentes". En última instancia, están destinados a realizar tareas clásicamente imposibles (y útiles), como simular con precisión reacciones químicas.

El procesador Sycamore se parece a los chips de silicio que alimentan las computadoras portátiles de todos los días, pero está diseñado específicamente para controlar los electrones que fluyen a través de él con precisión cuántica. Para reducir las fluctuaciones de temperatura que destruirían los delicados estados de los electrones e introducirían ruido, el chip se mantiene a temperaturas ultrafrías cercanas al cero absoluto.

En lugar de los bits clásicos (que siempre son 0 o 1), el chip cuántico utiliza qubits, que explotan la capacidad de los electrones de estar en una mezcla de estados. Una computadora cuántica puede realizar algunas tareas utilizando exponencialmente menos qubits que los bits que necesitaría una computadora clásica. Por ejemplo, una computadora clásica requiere 1.024 bits para ejecutar el algoritmo RCS, mientras que una computadora cuántica requiere solo 10 qubits.

Hace cinco años, un equipo de investigadores de Google informó en Nature 2, que a una supercomputadora clásica le tomaría 10.000 años recrear una ejecución RCS de 200 segundos en su computadora de 53 qubit. Casi de inmediato, la afirmación fue criticada; Investigadores del gigante tecnológico IBM publicaron una preimpresión en línea 3, lo que sugirió que una supercomputadora podría completar la tarea en unos pocos días. En junio, Lu y sus colegas utilizaron potentes ordenadores clásicos para falsificar el resultado en poco más de un minuto. 4.

El resultado de Google de 2019 no es el único afectado por las clásicas falsificaciones. En junio de 2023, investigadores de IBM y otros informaron evidencia 5 que su computadora de 127 qubits podría resolver problemas matemáticos potencialmente útiles, que "van más allá de los brutales cálculos clásicos". En unas pocas semanas, varios estudios demostraron 6, 7 que los enfoques clásicos podrían seguir compitiendo.

Boixo y sus colegas querían comprender cómo el ruido hace que los ordenadores cuánticos sean vulnerables a las falsificaciones clásicas. Descubrieron que incluso pequeñas diferencias en la tasa de error de los qubits (desde un 99,4% libre de errores hasta un 99,7%) hacen que Sycamore se comporte como si estuviera en un nuevo estado, similar a cómo la materia cambia de sólido a líquido.

“Lo que hace [el ruido] es convertir el sistema en algo clásico”, dice Boixo. Una vez que una versión actualizada de Sycamore con 67 qubits superó un cierto umbral de ruido, su salida RCS se volvió clásicamente imposible de simular.

En los últimos dos años, los intentos de superar a las supercomputadoras clásicas también se han centrado en reducir el ruido de los qubits. Foss-Feig y sus colegas ejecutaron RCS en una computadora cuántica de 56 qubits con una baja tasa de error 8 a través de. Con mejores qubits, afirma, “las computadoras clásicas ya no pueden competir con las computadoras cuánticas, al menos en lo que respecta a RCS”.

Un día, los investigadores esperan que las computadoras cuánticas sean lo suficientemente grandes y estén libres de errores para superar el conflicto entre las computadoras cuánticas y las clásicas. Por ahora, se contentan con luchar. “Si no puedes obtener ventaja en RCS, la más sencilla de las aplicaciones”, afirma Boixo, “no creo que puedas ganar en ninguna otra aplicación”.

1. Morvan, A. y col. Naturaleza 634, 328–333 (2024).

   Artículo Google Académico

2. Arute, F. y col. Naturaleza 574, 505–510 (2019).

   Artículo PubMed Google Académico

3. Pednault, E., Gunnels, J. A., Nannicini, G., Horesh, L. y Wisnieff, R. Preimpresión en arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.1910.09534 (2019).

4. Zhao, X.-H. et al. Preimpresión en arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.18889 (2024).

5. Kim, Y. et al. Naturaleza 618, 500–505 (2023).

   Artículo PubMed Google Académico

6. Tindall, J. y col. Preimpresión en arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.14887 (2023).

7. Begušić, T. y Kin-Lic Chan, G. Preimpresión en arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.16372 (2023).

8. DeCross, M. y col. Preimpresión en arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.02501 (2024).

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