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El momento "Hola mundo" de la computación cuántica

¿Existe realmente la computación cuántica ? Es apropiado que durante décadas este campo haya sido perseguido por la incertidumbre fundamental de que eventualmente resultaría ser una búsqueda del ganso salvaje. Pero Google ha derribado esta molesta superposición con la investigación no solo al demostrar lo que se llama "supremacía cuántica", sino sobre todo al mostrar que esto también es solo el comienzo de lo que las computadoras cuánticas eventualmente podrán hacer.

es un punto importante en informática, pero también es muy esotérico y técnico en muchos aspectos. Sin embargo, considere que en los años 60, la decisión de construir computadoras con transistores electrónicos debe haber parecido un punto esotérico. Sin embargo, de alguna manera fue el catalizador de toda la era de la información.

Muchos de nosotros no tuvimos la suerte de participar en esa decisión o de entender por qué era importante en ese momento. Tenemos la suerte de estar aquí ahora, pero la comprensión requiere un poco de explicación. El mejor punto de partida es quizás con los pioneros de la informática y la física Alan Turing y Richard Feynman.

& # 39; Porque la naturaleza no es clásica, maldita & # 39;

La máquina de computadora universal imaginada por Turing y otros de su generación se construyó durante y después de la Segunda Guerra Mundial, pasando de tubos de vacío a transistores hechos a mano a los chips densamente empaquetados que tenemos hoy. Con ella evolucionó la idea de la computación que esencialmente decía: si puede ser representada por números, podemos simularla.

Esto significaba que la formación de nubes, el reconocimiento de objetos, la síntesis vocal, la geometría 3D, las matemáticas complejas, todo esto y mucho más, con suficiente potencia informática, se realizaría en máquinas de memoria con procesador RAM estándar que se habían convertido en el estándar .

Pero hubo excepciones. Y aunque algunos eran cosas oscuras como paradojas matemáticas, se hizo evidente a medida que el campo de la física cuántica evolucionó que podría ser uno de ellos. Fue Feynman quien propuso en los primeros años que si desea simular un sistema cuántico, necesitará un sistema cuántico para hacerlo.

"No estoy contento con todos los análisis que van solo con la teoría clásica, porque la naturaleza no es clásica, maldita sea, y si quieres hacer una simulación de la naturaleza, será mejor que la hagas mecánica cuántica", concluyó, en su de manera inimitable. Las computadoras clásicas, porque consideraban lo que todos los demás simplemente llamaban computadoras, eran insuficientes para la tarea.

  GettyImages feynman

Richard Feynman hizo la llamada correcta, resulta.

¿El problema? No había una computadora cuántica y nadie tenía idea de cómo construir una. Pero el guante había sido lanzado, y era como una hierba gatera para los teóricos y los informáticos, que desde entonces han cuestionado la idea.

Podría ser que con un poder de computación bastante ordinario, el poder en una escala que Feynman no podía imaginar – centros de datos con yottabytes de memoria y procesamiento exaflop – de hecho podemos simular la naturaleza en sus niveles más pequeños y aterradores ?

¿O podría ser que con algunos tipos de problemas golpeas una pared y puedes poner todas las computadoras en la Tierra a una tarea y la barra de progreso avanzará un punto porcentual solo en un millón de años, si eso es así?

Y, en ese caso, ¿es también posible crear una computadora que funcione y que pueda resolver este problema en un tiempo razonable?

Para demostrar que Feynman es correcto, debe responder a todas estas preguntas. Debería demostrar que existe un problema que no es simplemente difícil para las computadoras comunes, sino que en realidad es imposible de resolver incluso con niveles de potencia increíbles. Y no solo debe teorizar, sino que crear una computadora nueva que no solo pueda resolver el mismo problema.

De esta manera, no solo demostraría una teoría, sino que abriría una clase completamente nueva de resolución de problemas, de teorías que se pueden probar. Sería un momento en que un campo de procesamiento completamente nuevo por primera vez imprimió con éxito el "hola mundo" y fue abierto para su uso por cualquier persona en el mundo. Y eso es lo que los investigadores de Google y la NASA afirman haber logrado.

En el que saltamos sobre cómo funciona todo

  equipo cuántico de google

Una de las computadoras cuánticas en cuestión. Durante un tiempo hablé con el hombre en cortometrajes sobre amplificadores y atenuadores de microondas.

Ya se ha escrito mucho sobre cómo la computación cuántica difiere del cálculo tradicional y pronto publicaré otra historia que describa el enfoque de Google en detalle. Pero algunas bases deben mencionarse aquí.

Las computadoras clásicas están construidas alrededor de transistores que, manteniendo o liberando una carga, significan un 1 o un 0. Al conectar estos transistores en formaciones más complejas pueden representar datos, o transformarlos y combinarlos a través de puertas lógicas como AND y NOR. Con un lenguaje complejo específico para las computadoras digitales que ha evolucionado durante décadas, podemos hacer que hagan cualquier tipo de cosa interesante.

Las computadoras cuánticas son bastante similares en cuanto a que tienen una unidad básica en la que ejecutan la lógica para realizar diversas tareas. La diferencia es que la unidad es más compleja: un qubit, que representa un espacio matemático mucho más complejo que un simple 0 o 1. En su lugar, podría pensar que su estado puede considerarse como una posición en una esfera, un punto En el espacio 3D. La lógica también es más complicada, pero sigue siendo relativamente simple (y sigue siendo útil llamada puerta): ese punto puede ajustarse, invertirse, etc. Sin embargo, el qubit cuando se observa también es digital, proporcionando lo que es equivalente a un valor de 0 o 1.

En virtud de la representación de un valor en un espacio matemático más rico, estos qubits y manipulaciones pueden realizar tareas nuevas e interesantes, incluyendo algunos que, como muestra Google, no tuvimos oportunidad de hacer antes.

Un aullido ingenuo

Para lograr la tarea tripartita resumida anteriormente, el equipo primero tuvo que encontrar una tarea que las computadoras clásicas encontraran difícil pero que debería ser relativamente fácil de hacer para una computadora cuántica. El problema que resolvieron es de una manera ridículamente inventada: Ser una computadora cuántica.

En cierto sentido, te dan ganas de dejar de leer, ¿verdad? Obviamente, una computadora cuántica será mejor para ser una computadora normal. Pero en realidad no es tan simple.

Piensa en una asombrosa pieza de electrónica: un Atari 800. Claro, es muy bueno para ser él mismo, administrar sus programas, etc. Pero cualquier computadora moderna puede simular un Atari 800 tan bien que puede ejecutar esos programas en orden de magnitud menos tiempo. Además, una computadora moderna puede ser simulada por una supercomputadora de la misma manera.

Además, ya hay formas de simular computadoras cuánticas: se han desarrollado en conjunto con hardware cuántico real para que los rendimientos puedan compararse con la teoría. Estos simuladores y el hardware que simulan difieren ampliamente y se han mejorado mucho en los últimos años, ya que la computación cuántica se ha convertido en algo más que un pasatiempo para las principales empresas e institutos de investigación.

  qubits de látex

Esto muestra la "red" de los qubits tal como se conectaron durante el experimento (coloreados por la cantidad de error que contribuyeron, de lo cual no es necesario saberlo).

Para ser específicos, el problema era que simulaba la salida de una secuencia aleatoria de compuertas y qubits en una computadora cuántica . En pocas palabras, cuando un circuito qubit hace algo, el resultado es, como otras computadoras, una secuencia de 0 y 1 segundo. Si no está calculando algo en particular, esos números serán aleatorios, pero sobre todo, son "aleatorios" de una manera muy específica y predecible.

Piensa en una bola de pachinko que cae a través de su guante con alfileres, agujeros y rampas. El camino que corre es aleatorio en cierto sentido, pero si sueltas 10,000 bolas desde la misma posición en el mismo laberinto, habrá patrones en los que saldrán en la parte inferior, una extensión de probabilidad, tal vez más en el centro y menos en los bordes. Si tuviera que simular esa máquina de pachinko en una computadora, podría probar si su simulación es precisa comparando la salida de 10,000 gotas virtuales con 10,000 reales.

Es lo mismo con la simulación de una computadora cuántica, aunque obviamente bastante compleja. Al final, sin embargo, la computadora está haciendo lo mismo: simulando un proceso físico y prediciendo resultados. Y al igual que el simulador de pachinko, su precisión se puede verificar realizando la cosa real y comparando estos resultados.

Pero así como es más fácil simular una máquina de pachinko simple que una compleja, es más fácil simular un puñado de qubits que muchos de ellos. Después de todo, los qubits ya son complejos. Y cuando encuentre preguntas de interferencia, errores menores y en qué dirección deben ir, etc. – De hecho, hay tantos factores que Feynman decidió en algún momento que no podrías explicarlos a todos. Y luego entrarías en el reino donde solo una computadora cuántica puede hacerlo: el reino de la "supremacía cuántica".

Por favor exponencialmente, y conviértalo en un doble

Después de 1,400 palabras, c & # 39; s es la frase que todos los demás pusieron directamente en el título. ¿Por qué? Porque la supremacía cuántica puede parecer grandiosa, pero es solo una pequeña parte de lo que se ha logrado, y de hecho, este resultado en particular puede no durar para siempre como un ejemplo de haber alcanzado esas alturas elevadas. Pero para continuar.

La configuración de Google, por lo tanto, era simple. Instale circuitos qubit creados al azar, tanto en su computadora cuántica como en el simulador. Comience fácilmente con algunos qubits ejecutando un puñado de ciclos operativos y compare el tiempo necesario para producir resultados.

Tenga en cuenta que el simulador no se está ejecutando en una computadora portátil cerca de la computadora cuántica del tamaño de un refrigerador, sino en Summit, una supercomputadora del Laboratorio Nacional Oak Ridge actualmente clasificado como el sistema de procesamiento único más poderoso en el mundo y no solo. Tiene 2,4 millones de núcleos de procesamiento, un poco menos de 3 petabytes de memoria y afecta a unos 150 petaflops.

En estas primeras etapas, el simulador y la computadora cuántica estuvieron felizmente de acuerdo: los números que escupieron, la distribución de probabilidad, fueron los mismos, una y otra vez.

Pero a medida que se agregaron más qubits y más complejidad al sistema, el tiempo que tomó el simulador para producir su pronóstico aumentó. C & # 39 es de esperar, al igual que una máquina de pachinko más grande. Inicialmente, el tiempo para realizar el cálculo y simularlo puede haber sido comparable, en cuestión de segundos o minutos. Pero esos números pronto aumentaron por hora a medida que ascendían a 54 qubits.

Cuando llegó al punto donde el simulador tardó cinco horas en verificar el resultado de la computadora cuántica, Google cambió su turno. Debido a que más qubits no es la única forma en que la computación cuántica se vuelve más compleja (y además, no podrían agregar nada más a su hardware actual). En cambio, comenzaron a realizar múltiples ciclos de operaciones con un circuito dado, lo que agrega todo tipo de complejidad a la simulación por muchas razones que no pude explicar.

Para la computadora cuántica, hacer otra ronda de cálculos toma una fracción de segundo, e incluso se multiplica por miles de veces para obtener el número requerido de corridas para producir números de probabilidad utilizables, terminó requiriendo la máquina solo unos segundos Además.

  gráfico de schroed feyn

Sabes que es real porque c es un gráfico. La línea de puntos (agregada por mí) es la ruta aproximada tomada por el equipo, primero agregando qubits (eje x) y luego complejidad (eje y).

Para el simulador, verificar estos resultados tomó una semana, en semana en la computadora más poderosa del mundo.

En ese momento, el equipo tuvo que dejar de ejecutar las pruebas del simulador, ya que era muy costoso en términos de tiempo y dinero. Sin embargo, nadie realmente afirmó haber alcanzado la "supremacía cuántica". Después de todo, puede haber empleado la computadora clásica más grande jamás creada miles de veces más, pero todavía se estaba dando cuenta.

Luego giraron el dial otro par de muescas. 54 qubits, haciendo 25 ciclos, tomaron 200 segundos para el sistema Sycamore de Google. Extrapolando de sus resultados anteriores, el equipo estimó que la Cumbre demoraría 10,000 años.

Lo que sucedió es lo que el equipo llamó doble aumento exponencial. Resulta que la adición de qubits y ciclos a una computadora cuántica agrega unos pocos microsegundos o segundos cada vez, un aumento lineal. Pero cada qubit que agrega a un sistema simulado hace que la simulación sea exponencialmente más costosa de ejecutar, y es la misma historia con los ciclos.

Imagina que tuvieras que hacer cualquier cantidad de flexiones que hice, cuadrado, luego cuadrado de nuevo. Si hubiera hecho 1, habría hecho 1. Si hubiera hecho 2, habría hecho 16. Hasta ahora no hay problema. Pero cuando llegue a 10, esperaré semanas mientras terminas tus 10,000 flexiones. No es exactamente análogo al Sicómoro y la Cumbre, ya que la adición de qubits y ciclos ha tenido aumentos diferentes y variables en las dificultades exponenciales, pero usted tuvo la idea. En algún momento puede que tenga que llamarlo. Y Google llamó cuando la computadora más poderosa del mundo todavía estaría trabajando en algo cuando es probable que este planeta sea una ruina latente.

Vale la pena mencionar aquí que este resultado depende de alguna manera del estado actual de las supercomputadoras y las técnicas de simulación, que podrían mejorar. De hecho, IBM publicó un artículo poco antes del anuncio de Google, sugiriendo que en teoría podría reducir significativamente el tiempo requerido para la actividad descrita. Pero parece poco probable que mejoren en más órdenes de magnitud y amenacen nuevamente la supremacía cuántica. Después de todo, si agrega algunos qubits o ciclos adicionales, se hace más difícil ordenar más magnitud. Sin embargo, el progreso en el frente clásico es bienvenido y necesario para un mayor desarrollo cuántico.

"Sputnik tampoco hizo mucho"

Así que la computadora cuántica venció al clásico en la tarea más complicada y desigual. imaginable, como poner una manzana contra una naranja en una competencia de "mejor cítrico". ¿Y qué?

Bueno, como señaló el fundador de Google del laboratorio de inteligencia artificial Hartmut Neven, "el Sputnik no hizo mucho. Simplemente caminó alrededor de la Tierra y emitió un pitido". Sin embargo, siempre hablamos de un & # 39; industria que tiene su "momento Sputnik", porque fue entonces cuando algo pasó de la teoría a la realidad, y comenzó la larga marcha de la realidad a la banalidad.

  2019 SB Google 0781

El pasaje ritual del núcleo de cálculo cuántico.

Esa parecía ser la actitud de otros en el equipo con el que hablé en el campo de computación cuántica de Google cerca de Santa Bárbara. Dijeron que la superioridad cuántica es buena, pero eso es lo que aprendieron en proceso que importaba, confirmando que lo que estaban haciendo no era inútil.

Básicamente es posible que se pueda obtener un resultado como el suyo independientemente del cálculo cuántico Realmente tiene un futuro. Señalando a una de las docenas de gráficos y diagramas casi incomprensibles que me trataron ese día, el líder de hardware y el teórico cuántico John Martines explicó un resultado crucial: la computadora cuántica no estaba haciendo nada extraño e inesperado .

Esto es muy importante cuando se hace algo completamente nuevo. Era bastante posible que en el proceso de conectar docenas de qubits y obligarlos a bailar sobre la melodía de los sistemas de control, voltearse, entrelazarse, desconectarse y demás, bueno, algo podría suceder . [19659002] Quizás resulte que los sistemas con más de 14 qubits entrelazados en el circuito producen una gran cantidad de interferencia que interrumpe la operación. Quizás una fuerza desconocida causaría un efecto mutuo de fotones de qubit secuenciales. Quizás los puertos secuenciales de algunos tipos causarían que el qubit se descomponga y el circuito se rompa. Son estas incógnitas desconocidas las que han causado tantas dudas sobre el hecho de que, como se preguntó al principio, la computación cuántica realmente existe como algo más que un simple truco de la sala de estar.

Imagínese si lo descubrieran en computadoras digitales, si conectara demasiados transistores juntos, todos ellos espontáneamente pierden la carga y pasan a 0. Esto pondría una enorme limitación en lo que una computadora basada en transistores digitales era capaz de hacer. hacer. Hasta ahora, nadie sabía si existía tal limitación para las computadoras cuánticas.

"No hay una nueva física por ahí que cause un fracaso. Es una gran comida para llevar", dijo Martines. "Vemos los mismos errores si tenemos un circuito simple o complejo, lo que significa que los errores no dependen de la complejidad computacional o el enredo, lo que significa que la computación cuántica compleja en progreso no tiene fragilidad porque estás haciendo un cálculo complejo ".

Usaron una computadora cuántica con mayor complejidad que nunca, y no pasa nada extraño. Y en base a sus observaciones y evidencia, descubrieron que no hay razón para creen que no pueden soportar este mismo patrón hasta, digamos, mil qubits y una complejidad aún mayor.

Hola mundo

Este es el resultado real del trabajo del grupo de investigación. Descubrieron, en el proceso de alcanzar el Hito bastante grande de superioridad cuántica, que las computadoras cuánticas son algo que puede continuar mejorando y lograr más que un simple resultado Experimental.

Esto no era un hecho en absoluto, como todo lo demás en el mundo, cuántico o clásico, todo es teórico hasta que lo pruebes.

Significa que a veces pronto, aunque nadie sabe realmente cuándo, las computadoras cuánticas serán algo que la gente usará para realizar tareas reales. De aquí en adelante, se trata de mejorar, no probar la oportunidad; para escribir código, no teorice si el código puede ejecutarse.

Va de la propuesta de Feynman de que se necesitará una computadora cuántica para usar una computadora cuántica para lo que sea que necesite. Es hora del "hola mundo" para la computación cuántica.

Feynman, por cierto, probablemente no se sorprendería. Sabía que tenía razón.

El artículo de Google que describe su trabajo fue publicado en la revista Nature. Puedes leerlo aquí.

Sobre Willian Delgado

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