Un dispositivo real demuestra el valor de las computadoras cuánticas por primera vez
Las computadoras cuánticas prometen resolver ciertos problemas que están completamente fuera del alcance de las máquinas tradicionales. Pero para que esa promesa se haga realidad, se necesitan algoritmos que funcionen en computadoras cuánticas reales y que puedan demostrar ventajas claras frente a los métodos clásicos. Hasta ahora, eso no se había logrado.
Un equipo de la Universidad del Sur de California (USC) acaba de dar un paso crucial en esa dirección. Utilizando el procesador Eagle de IBM, que opera con 127 qubits, la unidad básica de información cuántica, lograron resolver una versión del problema de Simon de manera sorprendentemente rápida, un desafío que resulta extremadamente difícil para las computadoras convencionales.
El problema de Simon es como un juego de adivinanzas: hay una función secreta (una especie de caja negra, también llamada «oráculo») que recibe una entrada y devuelve una salida. El objetivo del juego es descubrir un patrón oculto: una cadena de bits secreta. Para hacerlo, hay que encontrar dos entradas diferentes que generen exactamente la misma salida.
Con computadoras clásicas, esto requiere probar muchas combinaciones posibles, lo que puede llevar demasiado tiempo. Pero las computadoras cuánticas pueden aprovechar fenómenos como la «superposición», la capacidad de los qubits de representar 0 y 1 al mismo tiempo, para explorar muchas posibilidades de una sola vez. Esto les permite llegar a la solución con muchísimos menos intentos.
Según Daniel Ryder, cofundador de la startup cuántica Quantum Elements y profesor de la USC, «ya se habían observado algunas ventajas cuánticas modestas, pero esta aceleración exponencial es la prueba más fuerte hasta ahora del verdadero poder de la computación cuántica«.
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Comenzó a principios del siglo XX, cuando las explicaciones aceptadas del mundo subtatómico resultaron incompletas. Así, la mecánica cuántica surgió como una forma de entender todas estas peculiaridades, pero introdujo nuevos problemas y conceptos.
Los orígenes de los algoritmos cuánticos
El problema de Simon es uno de los primeros algoritmos cuánticos que se formularon, incluso antes que el conocido algoritmo de Shor, famoso por poder factorizar grandes números rápidamente, una técnica que podría romper ciertos sistemas de criptografía actuales. En teoría, se sabe que el problema de Simon puede resolverse exponencialmente más rápido con una computadora cuántica, pero hasta ahora no se había logrado demostrar en una máquina real.
Para comparar el rendimiento entre la computadora cuántica y las tradicionales, los investigadores usaron un índice llamado NTS (Número de Consultas al Oráculo para llegar a la Solución). En los algoritmos cuánticos, este número crece muy lentamente (logarítmicamente) aunque el problema se vuelva más grande. En cambio, con algoritmos clásicos, ese número crece de forma explosiva (exponencialmente). Esa diferencia es la base de la ventaja cuántica.
Los experimentos realizados con el procesador de IBM mostraron con claridad esa ventaja. Para diseñar los circuitos cuánticos que resolverían el problema, los investigadores enviaron al sistema trenes de pulsos electromagnéticos, mucho más cortos y precisos que los métodos tradicionales, lo que permitió controlar mejor los qubits.
Para visualizar esta diferencia de rendimiento, los investigadores realizaron numerosos experimentos en el procesador cuántico de IBM. Para diseñar el circuito cuántico, utilizaron trenes de pulsos, señales electromagnéticas para controlar el estado de los qubits desde el exterior, mucho más cortos y eficientes que los convencionales. Además, emplearon diversas técnicas para reducir los errores. La técnica que tuvo el mayor efecto se denominó «desacoplamiento dinámico».