Ordenadores cuánticos analógicos de 51 y 53 cúbits para estudiar transiciones de fase en el modelo de Ising

Dibujo20171129 Experimental platform 51-atom quantum simulator nature24622-f1

Richard Feynman propuso en 1982 el ordenador cuántico para simular sistemas cuánticos. Para esta aplicación lo ideal es un ordenador cuántico analógico. Se publican en Nature dos ordenadores cuánticos analógicos programables que simulan sendos sistemas cuánticos de espines tipo Ising. Uno tiene 51 cúbits implementados con átomos de rubidio-87 en estados de Rydberg y el otro tiene 53 cúbits implementados con iones de iterbio-171. Ambos ordenadores cuánticos programables simulan problemas cuánticos que se consideran intratables usando ordenadores clásicos. Todavía es pronto para hablar de supremacía cuántica. Habrá que esperar a que se resuelva algún problema de optimización usando estos ordenadores cuánticos analógicos.

Simular un sistema cuántico usando otro sistema cuántico quizás está muy alejado de lo que imaginas cuando piensas en un ordenador cuántico. Sin embargo, no es tarea fácil, por ello estos dos nuevos trabajos son muy relevantes. Aún así todavía estamos lejos del sueño de ordenadores cuánticos (aunque sean analógicos) de interés tecnológico. Los artículos son Hannes Bernien, Sylvain Schwartz, …, Mikhail D. Lukin, “Probing many-body dynamics on a 51-atom quantum simulator,” Nature 551: 579–584 (30 Nov 2017), doi: 10.1038/nature24622, arXiv:1707.04344 [quant-ph], y J. Zhang, G. Pagano, …, C. Monroe, “Observation of a many-body dynamical phase transition with a 53-qubit quantum simulator,” Nature 551: 601–604 (30 Nov 2017), doi: 10.1038/nature24654, arXiv:1708.01044 [quant-ph]. Más información divulgativa en Christine Muschik, “PredictingLarge quantum systems tamed,” News & Views, Nature (29 Nov 2017), doi: 10.1038/d41586-017-07438-8.

Dibujo20171129 single rydberg probability in 51-atom quantum simulator nature24622-f1

El artículo del grupo de Mikhail D. Lukin (Univ. Harvard) usa una trampa para 51 átomos ultrafríos (12 μK), cada uno en un estado de Rydberg, para implementar un simulador programable del modelo de Ising hasta 51 cúbits. Usando dicho sistema se ha observado una transición de fase asociada a la rotura de ciertas simetrías discretas. La señal más característica de este fenómeno es la aparición de oscilaciones persistentes. La confirmación de dicha observación se interpreta como señal de que la ejecución de la simulación es correcta. Si bien el resultado confirma las predicciones teóricas, no deja de ser un gran avance en computación cuántica.

Dibujo20171129 Observation of a many-body dynamical phase transition with a 53-qubit quantum simulato nature24654-f1

El artículo del grupo de Christopher Monroe (Univ. Maryland) usa una trampa para 53 iones ultrafríos para también implementar un simulador programable del modelo de Ising hasta 53 cúbits. Gracias a ello se puede estudiar la dinámica de este modelo fuera del equilibrio con interacciones de largo alcance. También se observa una transición de fase, un cambio brusco en el hamiltoniano, más allá del régimen descrito por la mecánica estadísticas convencional (que aplica a la dinámica en equilibrio).

Dibujo20171129 Two-body correlations 53-qubit quantum simulator nature24654-f3

Los resultados obtenidos por ambos grupos de investigación son los esperados para este tipo de sistemas (predicciones de la mecánica estadística fuera del equilibrio para el sistema de Ising). Por ello su relevancia se sitúa en el campo de la computación cuántica, ya que son los simuladores cuánticos programables de mayor número de cúbits hasta el momento. Por supuesto, usando el modelo de Ising se pueden cablear ciertos problemas de optimización de interés práctico. Todos esperamos que no falten muchos años para que veamos en acción la solución de alguno de estos problemas usando algunos de estos ordenadores cuánticos analógicos. Mientras tanto lo más relevante es que los ordenadores cuánticas avanzan con paso firme hacia un esplendoroso futuro.


11 Comentarios

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benjaminbenjamin

Francis con estos simuladores cuanticos en un futuro con mas quibits se podran simular interaciones de moleculas biologicas? para descubrir cura para el vih o nuevos farmacos? por ejemplo

AlbertoAlberto

Francis, ¿es un espaldarazo al modelo propuesto por Juan Ignacio Cirac y Peter Zoller para la simulación/computación cuántica?.

Samu

Francis, una pregunta por favor.

¿Son los computadores cuánticos digitales o analógicos capaces de simular el comportamiento de un número de partículas superior al número de partículas implicadas en su construcción y funcionamiento? Es decir; ¿pueden digamos 50 cubits simular con cierta fidelidad el comportamiento físico de un número mayor de partículas de las implicadas en el propio procesamiento cuántico? Y en tal caso, ¿cuántas más? ¿Sigue esta relación entre partículas entrelazadas y capacidad de simulación física una progresión lineal o exponencial?

Por último, ¿podría ser este hecho un indicativo de que sí que es (o será) posible simular con cierta fidelidad (realizando un cut-off adecuado) un mundo como el nuestro con esta (limitada pero precisa) fidelidad (aproximada por encima y por debajo de ciertos rangos de energía y escala)?

Como puedes imaginar te pregunto todo esto ante los recientes y en mi humilde opinión dudosos estudios que hablan de haber demostrado que no podemos vivir en un mundo simulado dadas las demandas computacionales para tal fin. Yo creo que en ninguno de tales estudios tienen en cuenta precisamente el claro caso de que la computación (digamos trascendental) de nuestro mundo podría basarse en un potencial cuántico.

Yo personalmente me baso en lo contrario partiendo de estudios similares al comentado en este vídeo: What Is The Computational Power of the Universe? donde investigadores del “National Institute of Standards and Technology” remarcan que la computación cuántica podría ser efectiva a la hora de emular el comportamiento efectivo de una teoría cuántica de campos que como sabes (mil veces mejor que yo) es la base del actual modelo estándar y de gran parte de las teorías en construcción que intentan ir más allá.

Un abrazo y gracias por contestar.

Francisco R. Villatoro

Samu, un sistema cuántico con n cúbits tiene 2^n estados posibles y su simulación clásica requiere 2^n bits; en términos de partículas, un sistema cuántico de n cúbits puede simular n partículas cuánticas y 2^n partículas clásicas. Nuestro universo es cuántico, luego para simular n partículas de nuestro universo se requieren al menos n cúbits (en la práctica muchísimos más para implementar algoritmos de corrección de errores que luchen contra la decoherencia y permitan una simulación fiable).

La idea de usar ordenadores cuánticos para simular teorías cuánticas de campos es muy popular entre los expertos en computación cuántica y muy prometedora dadas las dificultades computacionales de la teoría cuántica en el retículo (lattice QFT); pero recuerda que el modelo estándar describe (al menos) 117 campos (si los neutrinos fuesen de Majorana y sin contar el gravitón) luego se requieren 117 cúbits para describir cada “punto” (volumen de control) de nuestro universo; luego se necesitan al menos 117 cúbits para describir cada cúbit de nuestro universo (que serán muchos más al incorporar algoritmos de corrección de errores). Se necesitan menos cúbits si nos “olvidamos” de algunos campos “que no nos interese” simular; pero la idea 1 a 1 es una falacia.

Samu

Gracias como siempre por contestar, Francis.

Sólo una pregunta más: ¿y si en nuestro mundo utilizamos la potencia cuántica para simular un mundo fenoménico basado en campos cuánticos, uno muy similar al nuestro, pero donde “rompamos” la computacionalidad por ejemplo algún orden de magnitud antes. Es decir; si nos conformáramos en simular una teoría cuántica de campos cortando la escala del cálculo (el “cut-off”) de lo que ocurre en nuestro mundo. Por ejemplo, si nuestro mundo (la esencia que lo sostiene sea eso lo que sea) tiene en cuenta para el cálculo de probabilidades de la dinámica de la QFT la interacción de los primeros n diagramas de Feynman (o incluso si tiene en cuenta los infinitos diagramas), ¿no sería computacionalmente mucho más económico y asequible si nos limitáramos a usar computadores cuánticos para simular esta pseudo-QFT que te comento donde cortamos los diagramas a tener en cuenta quizás en el tercer orden de magnitud por ejemplo (y a una escala de renormalización mayor)? ¿Notaría acaso una “conciencia” nacida en esta simulación fenoménicamente la diferencia? ¿Podemos asegurar nosotros que algo así no ocurre de hecho en nuestro Universo, siendo éste parte de una realidad cuántica externa más “rica” o “potente”?

Un saludo y gracias por contestar mis preguntas. Sé que rozan a veces la filosofía y que a los físicos no os gusta tratar estos temas pero creo que por ahora estoy dentro del ámbito científico.

Francisco R. Villatoro

Samu, no entiendo tu argumento. No emerge ninguna “conciencia” de una simulación cuántica (la conciencia es un fenómeno clásico). Afirmar que nuestro Universo es una simulación en un hipotético superuniverso es hablar por hablar, sobre todo porque no conocemos la física de dicho hipotético superuniverso (que no tiene que ser como la nuestra).

Samu

Mi argumento no se centra en la consciencia, sino en el hecho de conocer tu opinión sobre si existe la posibilidad de que un ser consciente dentro de un Universo simulado pudiera en principio ser capaz de discernir (o refutar) que su mundo fenoménico es un mundo gobernado por una dinámica de campos cuánticos “capado” (en el sentido que te comento arriba) con respecto a una posible realidad subyacente (más completa o potente en el sentido de capacidad de cálculo).

En otras palabras: ¿crees como imposible que algún día podamos llegar a generar gracias a la computación cuántica una aproximación fiel pero limitada de la dinámica de campos en la que nosotros vivimos? Y si finalmente crees que es posible y algún día lo conseguimos, y algún ser simulado de este modo llega a alcanzar algún tipo de consciencia: ¿crees que tendría la capacidad de refutar que no vive en un mundo simulado basándose exclusivamente en el modo (y potencial) con el que funciona su física local (que en realidad nosotros fabricamos mediante aproximaciones)?

Hay autores como Nick Bostrom que defienden precisamente este tipo de anidaciobes de simulaciones dentro de simulaciones. En teoría no debería de haber problemas a priori en estas hipótesis siempre y cuando cada simulación simule a su vez una versión (ligeramente) menos fiel y costosa computacionalmente que ella misma.

Un saludo.

P.D. Ahora sí creo que pasé al lado filosófico, pero bueno también es cierto que la cosmología y la física moderna en general incluyen desde hace tiempo bastantes aproximaciones filosóficas de tapadillo (baste nombrar la hipótesis del multiverso o algunas interpretaciones de la MC).

Francisco R. Villatoro

Samu, mi opinión es que no. Para un físico un “ser consciente” es un sistema físico similar a una piedra. No hay diferencia en que sea consciente o no lo sea.

Samu

Creo que no me has entendido bien o yo no me he explicado. Imagina mi argumento anterior sin tener en cuenta la palabra consciencia o tomándola como algo secundario.

Concretando: ¿crees posible que un proceso natural (ponlo espontáneo o autónomo si prefieres) sea capaz de generar simular o emular otra “realidad” independiente con tal de que la realidad simulada sea más económica computacionalmente hablando? ¿Sería en este sentido posible que nuestro mundo fuese resultado de un proceso externo más “potente” o “rico” en el sentido de que nuestra física sea una mera aproximación a esa física trascendente?

Francisco R. Villatoro

No, Samu, no entiendo por qué no entiendes mi respuesta. Parece que quieres que diga lo que quieres que diga… ¿Para qué preguntas entonces si haces oídos sordos a mis respuetas?

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