Computación cuántica adiabática (o el “primer” ordenador cuántico comercial)

La compañía canadiense D-Wave Systems, anunció el 13 de febrero de 2007 el desarrollo del primer computador cuántico “comercial” llamado Orion de sólo 16 qubits y el 12 de noviembre del mismo año el primer ordenador cuántico de 28 qubits. Su idea es tener un ordenador con 512 qubits disponible en el verano de 2008 y uno de 1024 para finales del mismo. Hasta ahora el ordenador “cuántico” de D-Wave se ha utilizado como oráculo “cuántico” de un programa clásico para resolver algunos problemas sencillos (resolver un sudoku o búsqueda de patrones en imágenes). Para estos problemas la “nueva máquina” es más lenta que un ordenador convencional, pero es de esperar que conforme el número de qubits aumente se obtenga algún tipo de speedup “cuántico”.

FOTO DE UN “CHIP” de ORION

El ordenador Orion de D-Wave se basa en el concepto de computación cuántica adiabática. Propuesto por Farhi, Goldstone, Gutmann y Sipser en el 2000 (“Quantum Computation by Adiabatic Evolution“), este tipo de computación se basa en construir un Hamiltoniano que “físicamente” represente el problema a resolver de tal forma de que su evolución lenta en el tiempo corresponda a una búsqueda de la solución óptima al problema. La idea fue propuesta inicialmente para resolver problemas de satisfacibilidad NP en tiempo polinomial, partiendo de un Hamiltoniano fácilmente construible, el sistema evoluciona hacia el estado final deseado que es solución del problema. También se ha propuesto para resolver el problema del viajante (“Quantum Adiabatic Computation and the Travelling Salesman Problem“, Kieu, 2006), como oráculo “eficiente” de un ordenador clásico.

FOTO del LAYOUT de los 16 QUBITS del ORION

La computación adiabática también permite resolver otro tipo de problemas como los problemas de búsqueda. Mediante una elección adecuada del Hamiltoniano dependiente del tiempo se puede buscar un dato concreto en una base de datos no estructurada en una unidad de tiempo fija, independiente del número de elementos de dicha base de datos (al contrario que el algoritmo de Grover que requiere un número O(sqrt(N)) de operaciones, o un algoritmo clásico que requiere al menos O(N) operaciones) (“Rapid Data Search using Adiabatic Quantum Computation“, Ahrensmeier, Das, Kobes, Kunstatter, Zaraket, 2002). De hecho, ciertas críticas al Orion de D-Wave como ordenador cuántico adiabático es que utiliza el algoritmo de Grover, en lugar del algoritmo más eficiente posible. Lo que ha generado dudas (más aún cuando todavía no han publicado ningún artículo científico sobre Orion en ninguna revista de prestigio) sobre si Orion es realmente un ordenador cuántico adiabático o solamente un computador “clásico” que usa qubits superconductores (es decir, si hay o no entrelazamiento, entanglement, entre los qubits).

Una de las grandes esperanzas de la computación cuántica, la simulación del proceso cuántico de plegamiento de proteínas, también ha sido “atacado teóricamente” mediante computadores adiabáticos (“On the construction of model Hamiltonians for adiabatic quantum computing and its application to finding low energy conformations of lattice protein models“, Perdomo, Truncik, Tubert-Brohman, Rose, Aspuru-Guzik, 2008).

Desde el punto de vista de la potencia computacional, la computación cuántica adiabática es equivalente (polinomialmente) a la computación cuántica estándar (máquina de Turing cuántica de Deutsch) (“Adiabatic Quantum Computation is Equivalent to Standard Quantum Computation“, Aharonov, van Dam, Kempe, Landau, Lloyd, y Regev, 2004).

Por supuesto los computadores cuánticos adiabáticos también sufre el “gran mal” de la decoherencia (acoplamiento cuántico con el entorno) que introduce errores aleatorios en los estados internos de superposición (entanglement) del Hamiltoniano penalizando (o impidiendo) el desarrollo de computadores con un gran número de qubits (“Decoherence in a scalable adiabatic quantum computer“, Ashhab, Johansson, Nori, 2006, y “Decoherence in adiabatic quantum computation“, Amin, Averin, 2007), aunque trabajos anteriores proclamaban “incorrectamente” que eran más robustos ante los errores introducidos por la decoherencia (“Robustness of adiabatic quantum computation“, Childs, Farhi, Preskill, 2001).

En resumen, el futuro de los ordenadores cuánticos adiabáticos, como oráculos de computadores clásicos, es muy prometedor, aunque quizás los “anuncios” de D-Wave están muy mediatizados comercialmente y obtener ordenadores con miles de qubits está todavía muy lejos. Pero, quien sabe, Craig Venter y Celera Genomics aceleraron con su esfuerzo privado el Proyecto Genoma Humano, quizás Geordi Rose (CEO “técnico”) y Herb Martin (CEO “político”) logren que D-Wave acelere el desarrollo del primer ordenador cuántico útil en la práctica.

1 Comentario

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Daniel Martínez

Interesante para los aficionados a la informática, parece que hay quienes van avanzando muy rápido… O quizá nosotros nos nos estamos quedando atrás…
En fin, mientras estas nuevas tecnologías se utilicen para bien me llena de felicidad que haya personas que estén dedicando tiempo y esfuerzo al desarrollo de esto, que a mi parecer, es una nueva fuente de logros que al igual que las demás tecnologías tardará un poco en terminarse, pero será una potencia creciente (y más barata, espero) para dentro de poco tiempo.

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