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Por qué el ordenador “cuántico” D-Wave Two no es cuántico



Un ordenador montado a base de conectar 512 cubits (bits cuánticos) superconductores no es un ordenador cuántico. Para serlo además debe demostrar que durante su operación estos cubits están entrelazados entre sí; si no lo están, estos cubits se comportan como bits probabilísticos y es un ordenador clásico no determinista sin paralelismo cuántico. La compañía canadiense D-Wave no ha demostrado que su ordenador D-Wave Two con 512 cubits sea un ordenador cuántico, por tanto es un ordenador clásico no determinista. Esta hipótesis queda confirmada al analizar con ojos críticos los resultados de D-Wave Two que han sido publicados por la propia compañía. Más aún, ni siquiera es un ordenador de propósito general, capaz de ejecutar un algoritmo no determinista arbitrario; se trata de un ordenador de propósito específico que ejecuta un único algoritmo, el recocido cuántico, la versión con cubits del recocido simulado (simulated annealing). Esta entrada viene a colación por el artículo de Jesse Dunietz, “Quantum Computing Disentangled: A Look behind the D-Wave Buzz,” Scientific American, Aug 27, 2013.




Dibujo20130827 Geordie Rose - near the nucleus of a D-Wave Quantum Computers

El físico canadiense Geordie Rose fundó la compañía D-Wave en 1999 con el objetivo de desarrollar el primer ordenador cuántico comercial. Su idea era desarrollar un ordenador cuántico de propósito general (capaz de ejecutar cualquier algoritmo cuántico) basado en puertas lógicas cuánticas implementadas con cubits superconductores. En 2003 decidió que era imposible luchar contra la decoherencia (quizás no conocía el dicho “lo hizo porque no sabía que era imposible”) y cambió su objetivo, desarrollar un ordenador cuántico adiabático (AQC) de propósito general. En esta tecnología no es necesario que todos los cubits estén en un estado de superposición durante toda la ejecución del algoritmo, basta que haya subconjuntos grandes de cubits en superposición, aunque no importa que vayan fluctuando de forma aleatoria. A priori parece que un AQC permite luchar contra la decoherencia, sin embargo es necesario que haya intersecciones no nulas entre los subconjuntos de cubits en superposición durante la ejecución del algoritmo. Sin este requisito y sin subconjuntos “grandes” en superposición, no se puede obtener un AQC de propósito general.

En 2007, a bombo y platillo, la compañía D-Wave anunció su primer ordenador cuántico comercial, Orion, con 16 cubits. La rueda de prensa mostró que Orion era capaz de resolver un Sudoku y otros problemas similares, pero no demostró que fuera un AQC. Los expertos en computación cuántica adiabática mostraron serias dudas, pues D-Wave no demostró que sus cubits formaran estados de superposición durante la ejecución de sus algoritmos. Según estos expertos, lo poco que se dijo sobre su diseño era suficiente para afirmar que la tecnología de D-Wave no era capaz de lograr estados de superposición de cubits.



La hoja de ruta de D-Wave en 2007 mostraba que su objetivo era obtener un ordenador de 1024 cubits en 2012. Un objetivo muy optimista, quizás. D-Wave logró el objetivo de su rueda de prensa y recabó financiación a fondo perdido (de empresas como Google). Sin embargo, su objetivo inicial se les ha resistido. En 2011 anunció un ordenador de 128 cubits llamado Rainier, luego cambiado a D-Wave One (que fue comprado por la empresa Lockheed Martin, quizás por pura cuestión de marketing) y en 2013 ha anunciado un ordenador de 512 cubits llamado D-Wave Two (que fue comprado en mayo por el nuevo Laboratorio de Inteligencia Artificial Cuántica, consorcio de Google y NASA, de nuevo por pura cuestión de marketing).

Los investigadores de la compañía D-Wave han publicado varios artículos en prestigiosas revistas de investigación (como Nature, Physical Review Letters, etc.). Estos artículos no han demostrado que los ordenadores de D-Wave sean ordenadores cuánticos adiabáticos de propósito general, todo lo contrario. Conforme ha pasado el tiempo los expertos han podido descubrir que se trata de ordenadores de propósito específico que implementan un solo algoritmo, el recocido cuántico. Este algoritmo no es un algoritmo cuántico en sentido estricto, ya que no requiere estados de superposición “grandes” de los cubits y por tanto no aprovecha el paralelismo cuántico (responsable del speedup cuántico respecto a un ordenador clásico).

La opinión actual de los expertos es que D-Wave Two es un ordenador clásico no determinista que utiliza cubits superconductores como probits (bits probabilísticos). Por tanto, su implementación del recocido cuántico no es más eficiente que una implementación en un ordenador clásico, aunque quizás es más fiel, pues implementar un probit utilizando un cubit es mucho mejor que usando un generador de números aleatorios.

Este año ha sido noticia un artículo de D-Wave que afirma que D-Wave Two resuelve un Sudoku mediante recocido cuántico 3600 veces más rápido que un ordenador clásico. Sin embargo, el anuncio tiene trampa. Se comparó el resultado de D-Wave Two con una implementación clásica usando un software comercial de optimización de propósito general adaptado a resolver un Sudoku. La adaptación usada (disponible en la web) era bastante mala y unas semanas más tarde unos informáticos publicaron una versión mejorada que era sólo 14 veces más lenta que D-Wave Two. Un software comercial para la resolución de Sudokus puede ganar a D-Wave Two sin ningún problema en tu ordenador personal como un Ferrari le gana a una Vespa en una autopista. Geordie Rose dice que esta comparación no es justa y que hay que comparar el mismo algoritmo en su ordenador “cuántico” y en un PC. Sólo en dicho caso las decenas de millones de dólares que cuesta su ordenador “cuántico” son capaces de vencer a un PC de mil dólares.

Lo importante es que el análisis en detalle de los resultados publicados este año sobre el rendimiento de D-Wave Two no deja duda a los expertos. No se trata de un ordenador cuántico, sino de un ordenador clásico. El speedup cuántico es exponencial y se puede diferenciar del speedup clásico logrado mejorando un algoritmo que es polinómico; los resultados no dejan lugar a dudas, el speedup demostrado por D-Wave Two no es cuántico.

¿Algún día D-Wave será capaz de fabricar un ordenador cuántico adiabático? Nadie lo sabe. Tras 10 años de investigación y desarrollo han logrado fabricar ordenadores cuánticos adiabáticos de cuatro cubits (cuyo funcionamiento correcto ha sido publicado en revistas de gran prestigio), pero cablear estas unidades de proceso para formar un ordenador de 512 cubits no garantiza que el resultado final también lo sea. De hecho, ni siquiera han demostrado ser capaces de cablear dos unidades de cuatro cubits para formar un AQC de ocho cubits. Muchos expertos creen que el trabajo técnico de los investigadores de D-Wave es muy interesante y que hay que separarlo de los anuncios propagandísticos con objeto de recabar fondos privados para su financiación.

En resumen, D-Wave no está fabricando ordenadores cuánticos adiabáticos de propósito general, sino implementaciones hardware del algoritmo de recocido cuántico basadas en cubits superconductores como probits. Que te den gato por liebre no está mal, si te gusta comer carne de gato.
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