Envariancia en los ordenadores IBM Quantum Experience 5Q y 16Q

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Se llama envariancia a cierta invariancia asistida por entrelazamiento. Un estado cuántico entrelazado en un sistema separable en dos subsistemas es envariante para un operador que solo actúa sobre uno de los subsistemas si existe un operador inverso que solo actúa sobre el otro subsistema. En un sistema clásico, o para un estado separable de un sistema cuántico, no se puede observar la envariancia; en concreto, un operador que actúa solo sobre un subsistema es imposible que tenga como operador inverso otro que actúe solo sobre el otro subsistema. Se ha implementado un algoritmo de envariancia para los ordenadores de IBM Quantum Experience de cinco cúbits (5Q) y de deiciséis cúbits (16Q). ¿Demuestra que son realmente cuánticos?

Para el ordenador IBM 5Q, el algoritmo que demuestra la envariancia con 1+1 cúbits, 2+1 cúbits y 3+2 cúbits alcanza una fidelidad del 95,5%, del 88,7% y solo del 73,6%. En este último caso es bastante más baja de lo esperado para un ordenador realmente cuántico, luego el resultado es poco convincente como demostración de que 5Q lo es. Para el ordenador IBM 16Q la envariancia para 11+5 cúbits solo se logra con una fidelidad del 22%, pésima para un ordenador cuántico; además, los resultados dependen mucho del estado concreto usado (el valor inicial de los cúbits). Por tanto, hay serias dudas de que 16Q sea realmente cuántico (al menos para todos sus cúbits en conjunto) durante la ejecución de este algoritmo. La causa parece ser la baja fidelidad de los operadores cuánticos que actúan sobre un solo cúbit; IBM QE tendrá que seguir trabajando duro para mejorarla; sus supuestos ordenadores cuánticos están lejos de serlo.

¿El nuevo ordenador IBM 50Q de 50 cúbits es un ordenador cuántico? Si hay serias dudas sobre si lo es 16Q, siendo la tecnología usada la misma, permíteme ser muy escéptico al respecto. El artículo para IBM 5Q es Sebastian Deffner, “Demonstration of entanglement assisted invariance on IBM’s Quantum Experience,” Heliyon 3: e00444 (2017), doi: 10.1016/j.heliyon.2017.e00444arXiv:1609.07459 [quant-ph], y para IBM 16Q es Davide Ferrari, Michele Amoretti, “Demonstration of Envariance and Parity Learning on the IBM 16 Qubit Processor,” arXiv:1801.02363 [quant-ph].

El anuncio de IBM 50Q es Christine Vu, “IBM Announces Advances to IBM Quantum Systems & Ecosystem,” IBM News, 10 Nov 2017. ¿Realmente estamos más cerca de la era de los ordenadores cuánticos? Lo siento, pero no soy tan optimista como algunos divulgadores; Philip Ball, “The Era of Quantum Computing Is Here. Outlook: Cloudy,” Quanta Magazine, 24 Jan 2018.

[PS 27 Ene 2018] La doctora en información cuántica Alba Cervera Lierta, @‏AlbaCLierta, ha realizado algunos comentarios en Twitter sobre esta entrada. Me gustaría hacerme eco aquí. Primero, destaca que no hay dudas sobre que IBM 5Q sea un ordenador cuántico, ya que muestra violaciones de las desigualdades de Bell (Daniel Alsina, José Ignacio Latorre, “Experimental test of Mermin inequalities on a 5-qubit quantum computer,” Phys. Rev. A 94: 012314 (2016), doi: 10.1103/PhysRevA.94.012314arXiv:1605.04220 [quant-ph], y Diego García-Martín, Germán Sierra, “Five Experimental Tests on the 5-Qubit IBM Quantum Computer,” arXiv:1712.05642 [quant-ph]), aunque para el IBM 16Q afirma que “va fatal” (tuit). Y segundo, recuerda que IBM anunció a principios de noviembre de 2017 el ordenador IBM 20Q, pero que aún no hay anuncio oficial del IBM 50Q (aunque Philip Ball sugiere que es inminente, de ahí que yo lo mencione en esta entrada). Según Alba, el IBM 20Q se debería comportar mucho mejor que el IBM 16Q (aunque yo no lo tengo tan claro) [tuit]. [/PS]

Dibujo20180126 sixteen qubits quantum algorithm equivalent to the envariant swap operation arxiv 1801 02363

Los ordenadores de IBM 5Q y 16Q tienen cúbits superconductores de tipo transmón con un tiempo de coherencia inferior a 100 microsegundos; para demostrar que son realmente cuánticos es imposible usar la tomografía cuántica, ya que su diseño solo permite medidas cuánticas de cúbits individuales. Por tanto, el único modo para demostrar que se comportan como ordenadores cuánticos es ejecutar en ellos algoritmos cuánticos que no puedan funcionar en un ordenador clásico no determinista que use cúbits como fuente de aleatoriedad. El algoritmo que demuestra la envariancia es un buen ejemplo.

La definición técnica de la envariancia es la siguiente. En un sistema cuántico separable en dos subsistemas S ⊗ E, un estado entrelazado (no separable) |ψSE> es envariante para un operador que actúa solo sobre el primer subsistema US = uS ⊗ IE tiene como operador inverso otro que actúa solo sobre el segundo subsistema UE = IS ⊗ uE, es decir,  US UESE> = UE USSE> = ISE |ψSE> = |ψSE>. Cuando los sistemas S y E tienen 5 y 11 cúbits, respectivamente, durante la ejecución del algoritmo de envariancia requiere que se mantenga la coherencia cuántica independiente y separada de los registros de 5 y 11 cúbits que describen cada subsistema.

En resumen, aún no sabemos si el ordenador IBM 50Q es realmente cuántico, como tampoco lo sabemos del ordenador de Intel con 49 cúbits y el próximo ordenador de Google de 49 cúbits. Afirmar que son cuánticos porque usan cúbits es olvidar lo que significa ser cuántico. La competencia entre IBM, Intel y Google favorece la inyección de millones de dólares en la investigación en computación cuántica. Por muy interesante que sea el estudio de ordenadores clásicos no deterministas que usan cúbits, aún estamos muy, pero muy lejos de un progreso significativo en los ordenadores cuánticos que rondan los 50 cúbits.



2 Comentarios

  1. existe un muro tecnológico conocido que una vez franqueado el desarrollo de los ordenadores cuánticos ya es cuesta abajo?, o ¿Es una cuestión de ir afinando lo que ya se conoce?

  2. El poder de la computación cuántica y su ventaja sobre los computadores clásicos es otra muestra palpable del extraño mundo que habitamos. A nivel fundamental el mundo “único” y determinado que vemos a nuestro alrededor desaparece y aparece un mundo ambigüo y “superpuesto”. La información cuántica ya no es algo claramente definido, ya no es un 1 o un 0 sino que es una especie de “mezcla superpuesta” de ambos estados. El spin, antes de medirlo, no tiene un valor definido sino que se comporta como una “onda oscilante”. Las ondas de probabilidad tienen amplitudes que” viven” en un espacio complejo (un espacio de Hilbert) que contiene todos los estados posibles, estas ondas pueden interferir constructiva o negativamente dando lugar a amplitudes mayores o menores. Esta es la clave de la potencia de los computadores cuánticos: podemos hacer interferir estas ondas de la manera adecuada mediante “puertas lógicas cuánticas” para “amplificar” o reducir las ondas de probabilidad que nos interesen de forma que al medir obtengamos el valor buscado con una gran probabilidad. Hablando a groso modo es como si pudieramos “navegar” a través del espacio de Hilbert (eligiendo las bases que nos convengan dentro del espacio vectorial complejo) aprovechando la “ambiguedad cuántica” para que al medir el estado que buscamos se “proyecte” con mayor probabilidad que el resto de posibles estados. Por supuesto, esto asi dicho parece pura ciencia ficción ,sin embargo, aunque parezca increíble es nuestro mundo real. Aquí nos topamos de nuevo con la intrincada relación entre Física y Matemáticas: espacios matemáticos abstractos donde “viven” entidades matemáticas que sin embargo representan magnitudes Físicas reales, aunque esa realidad no se nos presenta hasta que no la medimos ¿No es esto increíble? La existencia de esta especie de “realidad superpuesta” correspondiente a la superposición cuántica ha conducido a muchos a postular la existencia de un Multiverso cuántico que se “desdobla” o se “ramifica” con cada medición. Estas hipótesis parecen casi ridículas ,sin embargo, parece que nuestras teorías más fundamentales apuntan a un mundo con muchas “posibilidades”: dimensiones ocultas, string landscape, dualidades, multiverso inflacionario… Quizás el espacio-tiempo “emerge” de algo más fundamental, quizás estos elementos más fundamentales sean algún día descubiertos y nos revelen el porque de esta naturaleza “superpuesta”. Lo más increíble de todo es que nosotros seamos capaces siquiera de intentar lograr algo así. Quizás los computadores cuánticos del futuro, a través de simulaciones de sistemas cuánticos fundamentales, nos puedan decir algo sobre eso que llamamos “realidad”.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 26 enero, 2018
Categoría(s): ✓ Ciencia • Computación cuántica • Informática • Noticias • Science
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