La máquina D-Wave 2X supera los 1000 cubits útiles

Por Francisco R. Villatoro, el 24 agosto, 2015. Categoría(s): Ciencia • Computación cuántica • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 7

Dibujo20150824 d-wave 2x machine - d-wave systems

La compañía canadiense D-Wave Systems ha anunciado una nueva máquina cuántica, D-Wave 2X™, con un chip de 2048 cubits (16 × 16 × 8), aunque sólo 1152 cubits son útiles a efectos de cálculo. La máquina usa más de 128000 uniones superconductoras de tipo Josephson y opera a 15 milikelvin sobre el cero absoluto de temperaturas. El objetivo para el próximo año es lograr incrementar el número de cubits útiles y acercarlo a 2000.

Recuerda que estas máquinas de cómputo analógicas no son ordenadores cuánticos. Usar cubits no es suficiente para ejecutar un algoritmo cuántico. En estas máquinas se cablea un grafo que conecta los cubits y se ejecuta un algoritmo de recocido clásico (aunque usa cubits cuánticos no está demostrado que sea recocido cuántico) que resuelve un problema de optimización combinatoria en dicho grafo. Ello no quita que la D-Wave 2X sea todo un alarde técnico y que le deseemos todos los éxitos posibles a la compañía D-Wave Systems.

El anuncio es “Announcing the D-Wave 2X Quantum Computer,” D-Wave News, 20 Aug 2015; el anuncio viene acompañado de un artículo que aparecerá mañana en ArXiv, James King et al. (D-Wave Systems), “Benchmarking a quantum annealing processor with the time-to-target metric,” arXiv:submit/1326272 [quant-ph], 20 Aug 2015 [PDF].

PS [27 Aug 2015]: “Nada ha cambiado” resume la opinión del experto en computacíon cuántica (y famoso crítico de D-Wave Systems) Scott Aaronson, “D-Wave Open Thread,” Shtetl-Optimized, 26 Aug 2015. “El (sobre)coste de codificar un problema de optimización de interés práctico en un grafo de tipo quimera no se tiene en cuenta en las métricas de medida del tiempo usadas por D-Wave Systems.” Por tanto, “añadir más cubits no hace más útiles sus resultados.”

Dibujo20150824 dw2x hardware working graph - d-wave 2x machine - d-wave systems

Las pruebas de la nueva máquina se han realizado cableando este grafo, llamado quimera C12, porque es un problema de Ising con una arquitectura estructurada de tipo quimera. Se muestran la malla de 12 × 12 unidades, cada una con 8 cubits, que totalizan los 1152 cubits de cálculo; por imperfecciones en el proceso de fabricación sólo 1097 están activos.

¿Cómo se puede saber si D-Wave 2X ejecuta un algoritmo de recocido cuántico o uno de recocido clásico? No hay ninguna técnica experimental que permita verificar la existencia de un estado cuántico coherente entre los estados de unos 1000 cubits. Por ello, en la compañía D-Wave Systems se usa el truco del almendruco (o la cuenta de la vieja): Implementan un algoritmo de recocido clásico similar a su algoritmo con cubits y comparan los tiempos de ejecución. Su resultado es que su máquina es hasta 600 veces más rápida que un ordenador clásico de Intel.

Pero, cuidado, la estimación del tiempo de cómputo clásico usada por la compañía D-Wave no es la mejor posible y está sesgada (usan como Juan Palomo, el yo me lo guiso, yo me lo como). Muchos expertos critican este sesgo y acusan a D-Wave de falta de rigor. Gracias a dicho sesgo (ellos miden el tiempo a su manera, inventando su propia métrica), siempre su máquina aparenta ser más rápida (presenta un speedup superior a la unidad). Los expertos en computación cuántica no tienen dudas sobre la trampa (aunque cada nuevo artículo de D-Wave trata de esconder bajo la alfombra la cuestión).

Dibujo20150824 results - dw2x hardware - d-wave 2x machine - d-wave systems

En el nuevo artículo se usa una métrica de tiempos llamada TTT (time-to-target). Los tiempos de cálculo de su máquina (DW2X) se comparan con dos algoritmos clásicos para resolver el mismo problema: el recocido simulado (SA) y el algoritmo de Hamze–de Freitas–Selby (HFS), ambos implementados por ellos en un ordenador (clásico) con un procesador Intel Xeon E5-2670. Como muestran las figuras de arriba, los tiempos de recocido TTTanneal de DW2X son entre 2 y 15 veces inferiores a los tiempos de SA y HFS. Además, el tiempo TTTtotal de DW2X es aproximadamente constante (como muestran las figuras de abajo), mientras que es monótono creciente para los algoritmos SA y HFS. Descontando los costes de entrada/salida (I/O), los autores del artículo estiman que DW2X es entre 8 y 600 veces más rápida que SA o HFS, cuyo coste es similar.

Dibujo20150824 results stt - dw2x hardware - d-wave 2x machine - d-wave systems

También presentan resultados con otra métrica propia para medir los tiempos, llamada STT (Samples-To-Target), cuyos resultados no son tan espectaculares. Como es obvio, todos estos resultados dependen mucho de la implementación concreta de los algoritmos HFS y SA realizada por D-Wave. Como siempre en ciencia, se requiere una validación independiente, pues lo más plausible es que la implementación desarrollada no sea la mejor posible en la actualidad. De hecho, en artículos previos D-Wave ha llegado a afirmar que implementa algoritmos clásicos próximos a su algoritmo cuántico para que la comparación sea más fiable; pero, claro, hecha la ley, hecha la trampa.

Un punto que me gustaría destacar a todos los lectores es que los autores del artículo no afirman que su máquina sea un ordenador cuántico y tampoco que logre un speedup cuántico (literalmente “we take special care here to emphasize that in this paper we do not address the issue of quantum speedup“); solamente comparan los tiempos de DW2X con los tiempos de un procesador clásico implementando dos algoritmos para el mismo problema (literalmente “but rather we treat the D-Wave processor as a computation platform and compare it with other platforms“). ¿Por qué? Muy sencillo, porque a nivel de publicidad de su compañía pueden decir que su máquina implementa el recocido cuántico (y tú como lector puedes creértelo, si quieres), pero en una revista científica no pueden afirmarlo (si quieren que los revisores acepten el artículo). Ya sabe que los expertos en computación cuántica son unos tiquismiquis.

En resumen, debemos darle la enhorabuena a los técnicos y físicos de D-Wave Systems que están logrando grandes mejoras en su máquina. Pero, cuidado, no lo olvidemos, no es un ordenador cuántico analógico, aunque use cubits. La razón es sencilla: aún no han sido capaces, ni siquiera, de demostrar que sus unidades de ocho cubits mantengan un estado coherente durante todo el cómputo; por supuesto, tampoco que sus más de 1000 cubits lo mantengan. Por tanto, su máquina no puede usar ningún tipo de speedup cuántico. No implementa un algoritmo de recocido cuántico. No es un ordenador cuántico analógico. Lo que no quita que sea una máquina clásica (no determinista) con una arquitectura de gran belleza (y un buen ejemplo de los avances en la integración en chip de uniones Josephson superconductoras).



7 Comentarios

  1. Muy interesante.

    Desde hace un tiempo sigo, más o menos superficialmente, esto de los ordenadores cuánticos y he pillado que el gran problema es mantener un estado coherente. Por otro lado, como lo haz mencionado otras veces la empresa D-Wave Systems está tomando el audaz camino de construir sus máquinas y luego ver qué obtiene con ellas. Entonces quería preguntarte por algún proyecto (o proyectos) importantes que se estén llevando en el otro sentido, es decir partiendo del lado teórico para luego aventurarse a la construcción del bendito ordenador cuántico. Me imagino que se deben llevar acabo en alguna universidad o instituto importante, pero no he encontrado, o no he sabido diferenciarlo tal vez, nada mucho más concreto que lo que se ve en Wikipedia o parecidos.

    Saludos.
    P.S. Por ciento me parece que en el último párrafo quisiste decir: “Lo que no quita que sea una máquina clásica (determinista)”

    1. Enrique, hay cientos de grupos por todo el mundo que usando diferentes tecnologías están construyendo ordenadores cuánticos de verdad. El problema es que sólo tienen unos pocos cubits, porque garantizar que el ordenador funciona como debe es muy difícil, y si no lo garantizas no puedes afirmar que haces computación cuántica. Los progresos son lentos pero constantes.

      Por cierto, en computación clásica hay dos modos básicos de trabajar el determinista (como tu PC) y el no determinista (o estocástico) como muchos ordenadores analógicos (como D-Wave).

    2. Enrique, hay cientos de grupos por todo el mundo que usando diferentes tecnologías están construyendo ordenadores cuánticos de verdad. El problema es que sólo tienen unos pocos cubits, porque garantizar que el ordenador funciona como debe es muy difícil, y si no lo garantizas no puedes afirmar que haces computación cuántica. Los progresos son lentos pero constantes.

    1. Fran, el truco está en que no es verdad que hagan cálculos más rápidos que un ordenador convencional. Se trata de una noticia antigua sobre la que ya hablé en este blog que ha vuelto al candelero. Comparan D-Wave con un algoritmo implementado por ellos que simula D-Wave en un ordenador clásico; como es de esperar D-Wave es más eficiente. Pero la comparación está sesgada. Hay que comparar con el mejor algoritmo clásico disponible para el problema y entonces gana con creces el ordenador clásico (pero entonces no sería noticia D-Wave, así que este detalle debe ser omitido en este tipo de noticias propagandísticas).

  2. Hola Francis,

    Lo siguiente parece interesante:

    “Hartmut Neven, líder del Laboratorio de Inteligencia Artificial Cuántica de Google en Los Ángeles (EEUU), anunció esta semana que sus investigadores han logrado pruebas sólidas de eso mismo. Diseñaron una serie de carreras entre el ordenador de D-Wave Systems instalado en la NASA contra un ordenador convencional con un único procesador. “Para un problema específico del estilo prueba de concepto cuidadosamente diseñado, logramos una aceleración de 100 millones”, afirma Neven.”

    Publicado en MIT Technology Review … habrá que estar atento a ver en que se queda.

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