La supremacía cuántica es poco probable



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Google anunció este otoño con gran fanfarria que había demostrado la "supremacía cuántica", es decir, realizó un cálculo cuántico específico mucho más rápido de lo que podían lograr las mejores computadoras clásicas. IBM rápidamente criticó la afirmación , diciendo que su propia supercomputadora clásica podría realizar el cálculo a casi la misma velocidad con mucha mayor fidelidad y, por lo tanto, el anuncio de Google debería tomarse "con una gran dosis de escepticismo".

Esta no fue la primera vez que alguien puso en duda la computación cuántica. El año pasado, Michel Dyakonov , un físico teórico de la Universidad de Montpellier en Francia, ofreció una serie de razones técnicas por las que las supercomputadoras cuánticas prácticas nunca se construirán en un artículo en IEEE Spectrum, la revista insignia de ingeniería eléctrica e informática.

Entonces, ¿cómo puedes entender lo que está pasando?

Como alguien que ha trabajado en computación cuántica durante muchos años , creo que debido a la inevitabilidad de los errores aleatorios en el hardware, es poco probable que se construyan computadoras cuánticas útiles.

¿Qué es una computadora cuántica?

Para comprender por qué, debe comprender cómo funcionan las computadoras cuánticas, ya que son fundamentalmente diferentes de las computadoras clásicas.

Una computadora clásica usa 0s y 1s para almacenar datos. Estos números podrían ser voltajes en diferentes puntos de un circuito. Pero una computadora cuántica funciona en bits cuánticos, también conocidos como qubits. Puede imaginarlos como ondas asociadas con la amplitud y la fase.

Los Qubits tienen propiedades especiales: pueden existir en superposición, donde ambos son 0 y 1 al mismo tiempo, y pueden enredarse para que compartan propiedades físicas a pesar de que pueden estar separados por grandes distancias. Es un comportamiento que no existe en el mundo de la física clásica. La superposición desaparece cuando el experimentador interactúa con el estado cuántico.

Debido a la superposición, una computadora cuántica con 100 qubits puede representar 2100 soluciones simultáneamente. Para ciertos problemas, este paralelismo exponencial se puede aprovechar para crear una tremenda ventaja de velocidad. Algunos problemas de descifrado de código podrían resolverse exponencialmente más rápido en una máquina cuántica , por ejemplo.

Existe otro enfoque más limitado para la computación cuántica llamado recocido cuántico , donde los qubits se utilizan para acelerar los problemas de optimización. D-Wave Systems, con sede en Canadá, ha construido sistemas de optimización que utilizan qubits para este propósito, pero los críticos también afirman que estos sistemas no son mejores que las computadoras clásicas .

En cualquier caso, las empresas y los países están invirtiendo grandes cantidades de dinero en computación cuántica. China ha desarrollado una nueva instalación de investigación cuántica por un valor de US $ 10 mil millones , mientras que la Unión Europea ha desarrollado un plan maestro cuántico de € 1 mil millones ($ 1,1 mil millones) . La Ley de Iniciativa Cuántica Nacional de los Estados Unidos proporciona $ 1.2 mil millones para promover la ciencia de la información cuántica durante un período de cinco años.

Romper los algoritmos de cifrado es un poderoso factor de motivación para muchos países: si pudieran hacerlo con éxito, les daría una enorme ventaja de inteligencia. Pero estas inversiones también están promoviendo la investigación fundamental en física.

Muchas compañías están presionando para construir computadoras cuánticas , incluidas Intel y Microsoft, además de Google e IBM. Estas compañías están tratando de construir hardware que reproduzca el modelo de circuito de las computadoras clásicas. Sin embargo, los sistemas experimentales actuales tienen menos de 100 qubits. Para lograr un rendimiento computacional útil, probablemente necesite máquinas con cientos de miles de qubits.

La matemática que sustenta los algoritmos cuánticos está bien establecida, pero aún quedan enormes desafíos de ingeniería.

Para que las computadoras funcionen correctamente, deben corregir todos los pequeños errores aleatorios. En una computadora cuántica, tales errores surgen de los elementos de circuito no ideales y la interacción de los qubits con el entorno que los rodea. Por estas razones, los qubits pueden perder coherencia en una fracción de segundo y, por lo tanto, el cálculo debe completarse en aún menos tiempo. Si los errores aleatorios, que son inevitables en cualquier sistema físico, no se corrigen, los resultados de la computadora serán inútiles.

En las computadoras clásicas, el ruido pequeño se corrige aprovechando un concepto conocido como umbral. Funciona como el redondeo de números. Por lo tanto, en la transmisión de enteros donde se sabe que el error es menor que 0.5, si lo que se recibe es 3.45, el valor recibido se puede corregir a 3.

Otros errores pueden corregirse introduciendo redundancia. Por lo tanto, si 0 y 1 se transmiten como 000 y 111, entonces, a lo sumo, un error de bit durante la transmisión se puede corregir fácilmente: un 001 recibido se interpretará como 0, y un 101 recibido se interpretará como 1.

Los códigos de corrección de errores cuánticos son una generalización de los clásicos, pero existen diferencias cruciales. Por un lado, los qubits desconocidos no se pueden copiar para incorporar la redundancia como una técnica de corrección de errores. Además, los errores presentes en los datos entrantes antes de que se introduzca la codificación de corrección de errores no pueden corregirse.

Criptografía cuántica

Si bien el problema del ruido es un desafío serio en la implementación de las computadoras cuánticas, no es así en la criptografía cuántica, donde las personas se enfrentan a qubits individuales, ya que los qubits individuales pueden permanecer aislados del entorno durante una cantidad de tiempo significativa. Utilizando la criptografía cuántica, dos usuarios pueden intercambiar los números muy grandes conocidos como claves, que protegen los datos, sin que nadie pueda romper el sistema de intercambio de claves. Tal intercambio de claves podría ayudar a asegurar las comunicaciones entre satélites y buques de guerra. Pero el algoritmo de cifrado real utilizado después del intercambio de la clave sigue siendo clásico y, por lo tanto, el cifrado no es, en teoría, más fuerte que los métodos clásicos.

La criptografía cuántica se utiliza comercialmente en un sentido limitado para transacciones bancarias de alto valor. Pero debido a que las dos partes deben autenticarse utilizando protocolos clásicos, y dado que una cadena es tan fuerte como su eslabón más débil, no es tan diferente de los sistemas existentes. Los bancos siguen utilizando un proceso de autenticación basado en la clásica, que podría utilizarse para intercambiar claves sin pérdida de seguridad general.

La tecnología de criptografía cuántica debe centrarse en la transmisión cuántica de información si va a ser significativamente más segura que las técnicas de criptografía existentes.

Desafíos de computación cuántica a escala comercial

Si bien la criptografía cuántica es prometedora si se pueden resolver los problemas de transmisión cuántica, dudo que lo mismo sea cierto para la computación cuántica generalizada. La corrección de errores, que es fundamental para una computadora multipropósito, es un desafío tan significativo en las computadoras cuánticas que no creo que alguna vez se construyan a escala comercial.

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