Computadoras Cuánticas: IBM pone en duda a Google

Las computadoras cuánticas están comenzando a acercarse al límite de la simulación clásica y es importante que continuemos comparando el progreso y preguntando qué tan difíciles son de simular. Esta es una pregunta científica fascinante.

Los avances recientes en computadoras cuánticas han dado como resultado dos procesadores de 53 qubits: uno de nuestro grupo en IBM y un dispositivo descrito por Google en un artículo publicado en la revista Nature .

En el documento, se argumenta que su dispositivo alcanzó la «supremacía cuántica» y que «una supercomputadora de última generación requeriría aproximadamente 10,000 años para realizar la tarea equivalente».

Argumentamos que una simulación ideal de la misma tarea puede realizarse en un sistema clásico en 2.5 días y con mucha mayor fidelidad .

De hecho, esta es una estimación conservadora, en el peor de los casos, y esperamos que con mejoras adicionales el costo clásico de la simulación pueda reducirse aún más.

Debido a que el significado original del término «supremacía cuántica», según lo propuesto por John Preskill en 2012, era describir el punto donde las computadoras cuánticas pueden hacer cosas que las computadoras clásicas no pueden hacer, este umbral no se ha cumplido.

Esta noción particular de «supremacía cuántica» se basa en la ejecución de un circuito cuántico aleatorio de un tamaño inviable para la simulación con cualquier computadora clásica disponible.

Específicamente, el artículo muestra un experimento computacional sobre un procesador cuántico de 53 qubits que implementa un circuito cuántico de puerta de dos qubits impresionantemente grande de profundidad 20, con 430 puertas de dos qubits y 1,113 puertas de un solo qubit, y con una fidelidad total pronosticada de 0.2% .

Su estimación de simulación clásica de 10,000 años se basa en la observación de que el requisito de memoria RAM para almacenar el vector de estado completo en una simulación de tipo Schrödinger sería prohibitivo y, por lo tanto, uno debe recurrir a una simulación de Schrödinger-Feynman que intercambia espacio por hora.

El concepto de «supremacía cuántica» muestra los recursos exclusivos de las computadoras cuánticas, como el acceso directo al enredo y la superposición. Sin embargo, las computadoras clásicas tienen sus propios recursos, como una jerarquía de memorias y cálculos de alta precisión en hardware, diversos activos de software y una vasta base de conocimiento de algoritmos, y es importante aprovechar todas esas capacidades al comparar lo cuántico con lo clásico.

Cuando se hizo su comparación con la clásica, confiaron en una simulación avanzada que aprovecha el paralelismo, el cálculo rápido y sin errores, y la gran RAM agregada, pero no pudieron explicar completamente el abundante almacenamiento en disco.

Por el contrario, nuestro enfoque de simulación clásica de estilo Schrödinger utiliza RAM y espacio en el disco duro para almacenar y manipular el vector de estado.

Las técnicas de mejora del rendimiento empleadas por nuestra metodología de simulación incluyen la división de circuitos, el aplazamiento de la contracción del tensor, la agregación de compuertas y el procesamiento por lotes, la orquestación cuidadosa de la comunicación colectiva y los métodos de optimización conocidos como el bloqueo de caché y el doble almacenamiento en búfer para superponer la transpiración de la comunicación Intermedio y cálculo que tienen lugar en los componentes de CPU y GPU de los nodos híbridos.

Figura 1 - Figura 1. Análisis del tiempo de ejecución informático clásico esperado frente a la profundidad del circuito de "Google Sycamore Circuits". La línea inferior (azul) estima el tiempo de ejecución clásico para un procesador de 53 qubit (2,5 días para una profundidad de circuito de 20), y la línea superior (naranja) lo hace para un procesador de 54 qubit.

Figura 1 – Figura 1. Análisis del tiempo de ejecución informático clásico esperado frente a la profundidad del circuito de «Google Sycamore Circuits». La línea inferior (azul) estima el tiempo de ejecución clásico para un procesador de 53 qubit (2,5 días para una profundidad de circuito de 20), y la línea superior (naranja) lo hace para un procesador de 54 qubit.

Nuestro enfoque de simulación presenta una serie de propiedades agradables que no se transfieren directamente del mundo clásico al cuántico. Por ejemplo, una vez que se calcula de manera clásica, se puede acceder al vector de estado completo de forma arbitraria muchas veces.

El tiempo de ejecución de nuestro método de simulación escala aproximadamente linealmente con la profundidad del circuito (ver Figura 1 arriba), sin imponer límites como los que se deben a los tiempos de coherencia limitados.

Nuevo y mejor hardware clásico, las optimizaciones de código para utilizar de manera más eficiente el hardware clásico, sin mencionar el potencial de aprovechar las comunicaciones directas de GPU para ejecutar el tipo de simulaciones de supremacía de interés, podrían acelerar sustancialmente nuestra simulación.

La construcción de sistemas cuánticos es una hazaña de la ciencia y la ingeniería y su evaluación comparativa es un desafío formidable.

El experimento de Google es una excelente demostración del progreso en la computación cuántica basada en superconductores, mostrando fidelidades de puerta de última generación en un dispositivo de 53 qubits, pero no debe verse como una prueba de que las computadoras cuánticas son «supremas» sobre las clásicas ordenadores.

Es bien sabido en la comunidad cuántica que nosotros, en IBM, estamos preocupados de dónde se ha ido el término «supremacía cuántica». John Preskill discutió recientemente los orígenes del término, incluida una defensa razonada y una reflexión sincera sobre algunas de sus dimensiones controvertidas, en un artículo reflexivo en la revista Quanta.

El profesor Preskill resumió las dos principales objeciones al término que surgieron de la comunidad al explicar que la «palabra exacerba los informes sobrevalorados sobre el estado de la tecnología cuántica» y que «a través de su asociación con la supremacía blanca, evoca una postura política repugnante». «

Ambas son objeciones sensatas. Y agregaríamos además que el término «supremacía» está siendo mal entendido por casi todos (fuera del mundo enrarecido de expertos en computación cuántica que pueden ponerlo en el contexto apropiado). Un titular que incluye alguna variación de «Supremacía cuántica lograda» es casi irresistible de imprimir, pero inevitablemente engañará al público en general. Primero porque, como argumentamos anteriormente, por su definición más estricta, el objetivo no se ha cumplido. Pero más fundamentalmente, porque las computadoras cuánticas nunca reinarán «supremas» sobre las computadoras clásicas, sino que trabajarán en conjunto con ellas, ya que cada una tiene sus fortalezas únicas.

Por las razones indicadas anteriormente, y dado que ya tenemos una amplia evidencia de que el término «supremacía cuántica» se está malinterpretando ampliamente y está causando una cantidad cada vez mayor de confusión, instamos a la comunidad a tratar las afirmaciones de que, por primera vez, una computadora cuántica hizo algo que una computadora clásica no puede con una gran dosis de escepticismo debido a la naturaleza complicada de comparar una métrica apropiada.

Para que Quantum tenga un impacto positivo en la sociedad, la tarea por delante es continuar construyendo y hacer que los sistemas de computación cuántica programables sean cada vez más poderosos y ampliamente accesibles que puedan implementar, de manera reproducible y confiable, una amplia gama de demostraciones, algoritmos y programas cuánticos. Este es el único camino a seguir para lograr soluciones prácticas en las computadoras cuánticas.

Un pensamiento final. El concepto de computación cuántica está inspirando a toda una nueva generación de científicos, incluidos físicos, ingenieros e informáticos, a cambiar fundamentalmente el panorama de la tecnología de la información. Si ya está avanzando en las fronteras de la computación cuántica, mantengamos el impulso. Y si eres nuevo en el campo, ven y únete a la comunidad. Siga adelante y ejecute su primer programa en una computadora cuántica real hoy.

Lo mejor está por venir.

 

Por

Distinguido miembro del personal de investigación, IBM Research

con la colaboración de

John Gunnels
y Dmitri Maslov

Distinguido miembro del personal de investigación, IBM Research
y arquitecto jefe de software, IBM Q

Jay Gambetta

Miembro y vicepresidente de IBM, Quantum Computing

Fuente: Blog de IBM

 

Traducción: Marcelo Lozano – General Publisher IT Connect Latam