Aún no está disponible un ordenador cuántico 100% funcional, aunque cada vez está más cerca. Sin embargo, el potencial de la computación basada en esta física, capaz de desentrañar la materia oscura microbiana (material genético de microorganismos aún por revelar), descubrir nuevas moléculas medicinales, identificar cada ladrillo de un genoma u optimizar un complejo proceso financiero o industrial, es Urge encontrar atajos. Investigadores del BBVA, que mantiene un equipo especializado en esta disciplina con participación pública y privada, han conseguido una simulación cuántica distribuida con servidores clásicos y programación de código abierto, replicable por cualquier institución sin necesidad de un superordenador o un delicado ordenador basado en características exóticas del mundo subatómico. Es decir, una forma de hacer computación cuántica con la tecnología actual, disponible y al alcance de cualquiera.
El mundo físico que percibimos es un trompe l’oeil, las sombras de la caverna de Platón llevadas al extremo. Si pudiéramos jibarizarnos a un tamaño subatómico, percibiríamos una dimensión donde podemos estar en dos estados al mismo tiempo (superposición), hay teletransportación, la energía se conduce sin pérdidas (superconductividad), hay flujos sin fricción ( superfluidez) y una extraña coreografía marca la interacción de las partículas (orden topológico).
Desentrañar todo este universo nos permitiría responder a preguntas tan básicas como qué somos y de dónde venimos, pero también aprovechar sus características para aplicaciones prácticas como la computación cuántica, con capacidades imposibles de alcanzar mediante la computación clásica. Al ordenador que permita ejecutar algoritmos cuánticos sin errores todavía le queda una década, según las previsiones más optimistas. Sus principales retos son el ruido (una simple alteración de microondas o temperatura puede arruinar el proceso) y el tiempo de coherencia, los microsegundos durante los cuales se mantiene la superposición de estados, lo que aumenta exponencialmente la capacidad de computación.
Sin embargo, hay un atajo y es el descubrimiento de los investigadores de BBVA. “Hemos logrado simular la ejecución de algoritmos cuánticos utilizando máquinas clásicas, ampliando hasta una potencia informática total de 38 qubits”. [bits cuánticos] y con el resultado esperado en un ordenador cuántico ideal”, resume Javier Recuenco, responsable del área de Innovación de Arquitectura Técnica de BBVA CIB.
“Al hacer simulación con ordenadores clásicos, hemos evitado el problema del tiempo de coherencia y el ruido. Ahora puedo ejecutar la simulación durante horas y horas”, explica para añadir otro elemento fundamental: “El algoritmo crece con el número de qubits y necesito más potencia. Todo esto tiene que distribuirse en la memoria y necesitamos una gran cantidad para que funcione. Se hace necesario utilizar un simulador cuántico distribuido”.
El nuevo sistema no aspira a superar las capacidades de un ordenador cuántico completamente tolerante a fallos, si esto es una realidad, sino a aprovechar las ventajas de la computación cuántica con las herramientas disponibles ahora, a pesar de las limitaciones. “Tiene un coste muy elevado”, admite Recuenco en referencia a los recursos utilizados para la prueba de concepto, la demostración del método propuesto en la nube, que en esta ocasión fue de Amazon Web Service. Se han quedado en 38 qubits, pero creen que es escalable.
Una computadora clásica con 38 bits sólo podría representar esa cantidad de estados diferentes. Sin embargo, la misma cantidad de qubits pueden representar y manipular simultáneamente 2³⁸ gracias a la propiedad de superposición, que permite que un qubit esté en un estado 0, un estado 1 o cualquier combinación de ambos al mismo tiempo. Por tanto, un cálculo cuántico de 38 qubits puede representar aproximadamente 274 mil millones de estados diferentes al mismo tiempo.
La simulación cuántica distribuida tiene una primera aplicación en la optimización de carteras, el cálculo de riesgos y la búsqueda del camino más corto en gráficos, un problema clásico que busca el camino óptimo entre vértices o nodos. “Pero puede ser aplicable en cualquier área. Las universidades deben estar muy interesadas y la industria química o farmacéutica. O encontrar nuevos componentes para las baterías”, explica el investigador.
Una de sus grandes ventajas es que no requiere de una supercomputadora ni de una red de dispositivos cuánticos. Según Diego García Vaquero, director de arquitecturas y co-investigador del sistema, comenzaron con dispositivos con sólo ocho gigabytes de RAM y llegaron a un máximo de un terabit. Basta con una red convencional ya existente en la nube. “Y con código abierto”, especifica. Esta premisa es básica para facilitar el uso de la simulación desarrollada, que se publicará en un documento técnico detallado para que sea replicable, según anuncian los investigadores.
Otra ventaja de la simulación conseguida es que, al no depender de sistemas inestables, se puede ejecutar por fases y establecer lo que Recuenco llama “banderas o puntos de control intermedios” en el proceso para ver cómo avanza el algoritmo, así como entrelazar los qubits. sin las limitaciones topológicas que presentan las computadoras cuánticas reales.
200 veces más rápido
Esta línea de investigación en simulación cuántica está siendo desarrollada por empresas como Fujitsu, que complementa estos desarrollos con los superordenadores y ordenadores cuánticos más grandes del mundo. El pasado mes de febrero, la compañía anunció el desarrollo de una novedosa técnica de simulación, también basada en distribución, que acelera algoritmos híbridos (cuánticos-clásicos) y alcanza una velocidad de cálculo 200 veces más rápida que las simulaciones anteriores.
En el caso de los cálculos de circuitos cuánticos que utilizan algoritmos híbridos, los problemas a mayor escala requieren muchos qubits y días de procesamiento. Las simulaciones en los campos del descubrimiento de materiales y fármacos pueden requerir incluso varios cientos de días.
La tecnología de Fujitsu permite procesar simultáneamente una gran cantidad de cálculos de circuitos cuánticos ejecutados repetidamente y distribuidos en múltiples grupos. Fujitsu también ha ideado una manera de simplificar problemas a gran escala con menos pérdida de precisión utilizando uno de los simuladores cuánticos. En un solo día se realizan cálculos que con métodos convencionales tardarían más de medio año.
Fujitsu cree que estos modelos aceleran la investigación sobre la aplicación práctica de las computadoras cuánticas en diversos campos y son aplicables a las computadoras cuánticas reales.
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