Se espera que las computadoras cuánticas resuelvan algunos problemas que están fuera del alcance de las supercomputadoras más poderosas imaginables. Alcanzar este hito se ha denominado “supremacía cuántica”.
Pero aún no está claro si ya se ha logrado la supremacía cuántica y qué significaría eso para el campo.
El término “supremacía cuántica” fue inventado en 2012 por John Preskillprofesor de física teórica en Caltech, para describir el punto en el que un computadora cuántica Puede hacer algo que un clásico no puede hacer.
Cruzar este umbral se ha convertido en una estrella guía para las empresas de tecnología que construyen computadoras cuánticas a gran escala. En 2019, en un artículo publicado en la revista NatureGoogle fue el primero en declarar que había alcanzado la supremacía cuántica. Otros grupos han hecho declaraciones similares en los últimos años.
Sin embargo, varias de estas afirmaciones, incluida la de Google, han sido rechazadas desde entonces, después de que los investigadores desarrollaran nuevos algoritmos clásicos que van de la mano con las computadoras cuánticas.
Además, los experimentos de supremacía cuántica se han centrado en problemas sin aplicaciones prácticas obvias, lo que sugiere que las computadoras cuánticas útiles pueden estar aún lejos de serlo. William Feffermandijo a WordsSideKick.com, profesor asistente de informática en la Universidad de Chicago. Aún así, la idea ha ayudado a avanzar en el campo y será un paso crucial hacia máquinas más potentes, añadió.
«Hay que caminar antes de poder correr», dijo Fefferman. «No creo que nadie tenga una hoja de ruta perfecta sobre cómo pasar de obtener una ventaja cuántica de una manera realmente decisiva al siguiente paso de resolver un problema útil en una computadora cuántica en el corto plazo. Pero estoy convencido de que este es el primer paso del proceso.
Cómo se han manifestado hasta ahora las manifestaciones de supremacía cuántica
Los informáticos teóricos han descubierto varios algoritmos cuánticos que, en principio, pueden resolver problemas mucho más rápido que los problemas clásicos. Esto se debe a que pueden explotar efectos cuánticos como enredo y capas para codificar datos de manera muy eficiente y procesar muchos más cálculos en paralelo que una computadora clásica. Pero el número de qubits (el equivalente cuántico de los bits) necesario para implementarlos a una escala suficiente para mostrar beneficios va mucho más allá de lo que está disponible con los procesadores cuánticos actuales.
Como resultado, los esfuerzos por demostrar la supremacía cuántica se han centrado en problemas altamente artificiales diseñados para favorecer a la computadora cuántica. El experimento de Google de 2019 involucró un procesador de 54 qubit que realizaba una serie de operaciones aleatorias. Aunque los resultados serían básicamente inútiles, los investigadores estimaron que se necesitarían unos 10.000 años para simular el proceso en el superordenador Summit del Laboratorio Nacional Oak Ridge, la máquina clásica más potente del mundo en aquel momento.
Esto se debe a que las propiedades inusuales de mecánica cuántica significa que simular estos sistemas en una computadora clásica rápidamente se vuelve intratable a medida que crecen, dijo Simón BenjamínProfesor de tecnologías cuánticas en la Universidad de Oxford. «No es que las computadoras cuánticas sean cosas misteriosas y mágicas», dijo. «Conocemos las ecuaciones que obedecen. Pero a medida que crece, se vuelve cada vez más difícil para la computadora clásica seguir estas ecuaciones».
Esto se debe al fenómeno cuántico de superposición. Mientras que un bit en una computadora clásica solo puede representar 1 o 0, un qubit puede codificar una mezcla compleja de ambos estados al mismo tiempo. Es importante destacar que varios qubits pueden estar en una superposición compartida, lo que significa que un sistema cuántico puede representar simultáneamente todas las combinaciones posibles de valores de qubits.
Esto significa que para describir dos qubits se necesitan cuatro números para cubrir todos los estados posibles del sistema, explicó Benjamin. Y por cada qubit adicional, se duplica el número de bits clásicos necesarios para representar el estado de la computadora cuántica. «Muy rápidamente estamos llegando a cifras importantes», dijo.
Para dar una idea de qué tan rápido aumenta el problema, dijo Benjamin, un sistema de 30 qubit se puede simular cómodamente en una buena computadora portátil. Con 40 qubits necesitarías un superordenador de escala universitaria, y con unos 46 qubits alcanzarías los límites de las máquinas clásicas más potentes del mundo.
Sin embargo, estas estimaciones se refieren al desafío de simular exactamente un sistema cuántico perfecto. En realidad, los ordenadores cuánticos actuales son muy propensos a errores, lo que supone un atajo para los algoritmos clásicos. En 2022, un grupo de la Academia de Ciencias de China demostró que una supercomputadora de escala universitaria podría simular el experimento cuántico de Google en 2019 en tan solo unas horas, en parte sacrificando precisión por velocidad.
Por qué la utilidad cuántica favorece la supremacía cuántica
Otras afirmaciones de supremacía cuántica se han enfrentado a desafíos similares. Un grupo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China afirmó un artículo de 2021 que una operación de muestreo aleatorio que realizaron en una computadora cuántica basada en luz de 144 qubits superaría a cualquier máquina clásica. Pero Fefferman dijo que su grupo había desde que se muestra que pueden aprovechar el ruido del sistema para simular la experiencia en menos de una hora. El mismo enfoque debería poder simular una situación similar. experimento de supremacía cuántica anunciado por la startup Xanadu en 2022, añadió.
Hasta donde sabe Fefferman, todavía están en marcha dos experimentos de supremacía cuántica. En 2023, Google usó un procesador de 70 qubit ampliar el resultado anterior de la empresa, y en 2024Quantinuum afirmó haber alcanzado el hito con su computadora cuántica H2-1 de 56 qubits. Pero a Fefferman no le sorprendería que en el futuro se desarrollaran enfoques clásicos para simular rápidamente estos experimentos. «No estoy conteniendo la respiración», dijo.
Lograr definitivamente la supremacía cuántica requerirá una reducción significativa en las tasas de error del hardware cuántico o una mejor comprensión teórica del tipo de ruido que los enfoques clásicos pueden explotar para ayudar a simular el comportamiento de las computadoras cuánticas propensas a errores, dijo Fefferman.
Pero este vaivén entre los enfoques cuántico y clásico ayuda a hacer avanzar el campo, añadió, creando un círculo virtuoso que ayuda a los desarrolladores de hardware cuántico a comprender dónde deben mejorar.
«A lo largo de este ciclo, las experiencias han mejorado dramáticamente», dijo Fefferman. «Y como teórico que idea estos algoritmos clásicos, espero que con el tiempo ya no pueda hacerlo».
Si bien no está claro si todavía se ha logrado la supremacía cuántica, está claro que estamos en la cúspide, dijo Benjamin. Pero es importante tener en cuenta que dar este paso sería un logro en gran medida académico y simbólico, ya que los problemas abordados no tienen ningún uso práctico.
«Estamos en este umbral, básicamente, pero no es un umbral interesante, porque en el otro lado, no sucede nada mágico», dijo Benjamin. «Las computadoras cuánticas no se vuelven útiles de repente».
Es por eso que muchos en el campo están reorientando sus esfuerzos hacia un nuevo objetivo: demostrar la «utilidad cuántica», o la capacidad de demostrar una velocidad significativa con respecto a las computadoras clásicas en un problema práctico. Algunos grupos, incluidos investigadores de IBMEsperamos que incluso los ordenadores cuánticos actuales, propensos a errores, puedan lograrlo a corto plazo en determinados problemas específicos.
Google también alcanzó recientemente un hito clave en la carrera por la computación cuántica tolerante a fallas. Su procesador cuántico «Willow» fue el primero en eliminar más errores que los que se introducen al aumentar el número de qubits físicos en un qubit lógico. Esto significa una reducción exponencial de los errores y un posible camino hacia la computación cuántica sin errores.
Pero Benjamin dijo que existe un consenso cada vez mayor en el campo de que este hito no se alcanzará hasta que tengamos computadoras cuánticas tolerantes a fallas. Esto requerirá procesadores cuánticos con muchos más qubits de los que tenemos hoy, dijo, porque los códigos de corrección de errores cuánticos mejor estudiados requieren del orden de 1.000 qubits físicos para producir un solo qubit tolerante a fallas o lógica.
Si bien los ordenadores cuánticos más grandes actuales acaban de superar la marca de los 1.000 qubits, esta cifra probablemente esté todavía muy lejos. «Soy optimista en cuanto a que existirá una computadora cuántica de este tipo, pero soy pesimista en cuanto a que existirá en los próximos cinco o diez años», dijo Fefferman.
