Nature y Science publican la simulación de sistemas cuánticos mediante el ordenador D-Wave 2000Q

D-Wave 2000Q™ es un ordenador cuántico analógico de propósito específico con 2048 cúbits de tecnología superconductora. Permite simular sistemas cuánticos que se puedan mapear en un grafo de tipo quimera. Gracias a ello D-Wave publicó en julio en Science la simulación de una transición de fase en un vidrio de espines de 8×8×8 (512) cúbits y ahora en agosto en Nature la simulación de la transición de fase topológica de Kosterlitz–Thouless en un sistema de 1800 cúbits. En ambos casos la calidad de la simulación mediante recocido cuántico ha sido verificada con simulaciones con el método de Montecarlo mediante ordenadores (clásicos). Un gran éxito de D-Wave Systems, pero todavía muy lejos de una demostración de la supremacía cuántica.

Los artículos son R. Harris, Y. Sato, …, J. Yao, “Phase transitions in a programmable quantum spin glass simulator,” Science 361: 162-165 (13 Jul 2018), doi: 10.1126/science.aat2025, y Andrew D. King, Juan Carrasquilla, …, Mohammad H. Amin, “Observation of topological phenomena in a programmable lattice of 1,800 qubits,” Nature 560: 456–460 (22 Aug 2018), doi: 10.1038/s41586-018-0410-x, arXiv:1803.02047 [quant-ph] [EPDF]; más información en Matthias Troyer, “Topological phenomena explored in a programmable quantum simulation,” Nature 560: 438-439 (22 Aug 2018), doi: 10.1038/d41586-018-05979-0.

Los ordenadores cuánticos fueron soñados por Richard Feynman en 1981 para la simulación de sistemas cuánticos; gracias a ello la compañía D-Wave Systems anuncia sus artículos en Science y Nature como un sueño cumplido. Sin embargo, debemos ser cautos, pues Feynman soñaba con llegar más allá de lo que permite la simulación mediante ordenadores (clásicos), algo que todavía D-Wave no ha podido demostrar (la llamada supremacía cuántica). Sus cúbits individuales son de buena calidad y sus enlaces entre ellos (acoplamiento local) también lo son, sin embargo, hay serias dudas sobre su coherencia cuántica global (clave para lograr la supremacía).

Simplificando mucho los cúbits de D-Wave son un pequeño bucle de niobio superconductor enfriado a pocos milikelvin por el que pasa una corriente eléctrica que puede circular en el sentido de las agujas del reloj (estado ‘1’), o en sentido antihorario (estado ‘0’), así como en una superposición cuántica de ambos. El acoplamiento entre cúbits cercanos también es de buena calidad, siendo su acoplamiento ajustable. Las corrientes en los bucles producen campos magnéticos que conducen a interacciones locales entre los cúbits cercanos, cuya intensidad se puede controlar aplicando un campo magnético externo (gracias a otros circuitos eléctricos de tipo bucle adyacentes a cada cúbit). La preparación del estado inicial del ordenador analógico se logra mediante la programación de este campo magnético externo, que también se usan para la lectura del estado final.

Los cúbits superconductores del ordenador de D-Wave están conectados en un grafo de un tipo especial llamado quimera mediante enlaces programables. Este ordenador cuántico de propósito específico ejecuta el algoritmo de recocido cuántico (quantum annealing), la versión cuántica del algoritmo de recocido simulado (simulated annealing). En el algoritmo clásico se simula el recocido (temple o cristalización) de un material, es decir, el cambio de su estado conforme se aplica una variación en la temperatura (gradiente térmico). En el caso cuántico las fluctuaciones térmicas durante la evolución adiabática del sistema se simulan mediante las fluctuaciones cuánticas asociadas a la decoherencia (interacción con el entorno). Así, un algoritmo de recocido cuántico consiste en preparar el sistema en un estado inicial, dejarlo evolucionar sin interaccionar con él durante cierto tiempo y luego medir su estado final. Por ello los ordenadores cuánticos de D-Wave no son digitales (basados en puertas cuánticas) sino analógicos; luego sus dos mil cúbits no son más poderosos (computacionalmente hablando) que los cincuenta cúbits de los ordenadores cuánticos de IBM, Google, Intel, etc.

En el nuevo artículo en Nature se han simulado dos sistemas cuánticos de espines descritos por redes planas con geometría cilíndrica; en concreto, una red cuadrada-octagonal y otra triangular. En el cero absoluto de temperaturas todos los espines (momentos magnéticos) están orientados en la misma dirección, pero conforme sube la temperatura aparecen defectos topológicos de tipo vórtice y antivórtice en los que los espines rotan en sentido horario y antihorario, resp. Esta figura muestra un ejemplo para la red cuadrada-octagonal. Conforme la temperatura crece el número de defectos aumenta y se forman sistemas ligados vórtice-antivórtice. Como demostraron Kosterlitz y Thouless (Premio Nobel de Física 2016) conforme crece aún más la temperatura estas parejas vórtice-antivórtice acaban rompiéndose (transición de fase KT) retornando el sistema a un estado con vórtices y antivórtices aislados. Esta transición de fase ha sido simulada mediante el ordenador D-Wave 2000Q.

La observación de la transición de fase KT en un sistema de 1800 cúbits mediante su simulación por recocido cuántico (QA) en el ordenador D-Wave 2000Q es un gran éxito, pero no debemos olvidar que se puede simular sin dificultad mediante un algoritmo de Montecarlo cuántico (QMC) en un ordenador (clásico). De hecho, la validez de la simulación cuántica se ha confirmado por el buen ajuste entre los resultados cuánticos y los clásicos. Por tanto, en cierto sentido, el nuevo artículo es parte de la propaganda de D-Wave Systems, que le sirve para confirmar el éxito de los últimos avances que han incorporado en su tecnología de cúbits para minimizar la alta tasa de errores que penalizaba su funcionamiento. Por supuesto, ahora D-Wave Systems tratará de alcanzar la supremacía aplicando su ordenador a problemas de optimización; todos esperamos que logre su objetivo, aunque debo confesar que yo sigo siendo pesimista al respecto.

El nuevo artículo en Nature se apoya en uno anterior en Science del pasado mes de julio (del que no pude hacerme eco en este blog por falta de tiempo). Allí se simula un sistema de espines de Ising tridimensional en una red cúbica de 8 × 8 × 8; en concreto, ajustando la cantidad de frustración mediante un campo magnético efectivo transversal se logra simular las transiciones de fase entre un sistema paramagnético (PM), una fase antiferromagnética ordenada (AFM) y un vidrio de espín desordenado (SG). Recuerda que en física estadística se habla de frustración cuando un sistema es incapaz de alcanzar un estado de mínima energía para todas sus interacciones locales; por ejemplo, en un sistema triangular de tres espines si dos de ellos tienen sentidos opuestos el tercero se encuentra frustrado pues no puede orientarse con un sentido opuesto a los otros dos de forma simultánea para alcanzar su estado de energía mínima. La frustración es clave para la transición de estados ordenados a estados desordenados.

Sin entrar en detalles técnicos, la relevancia de la simulación mediante D-Wave 2000Q de la transición de fase es limitada. Por supuesto, estamos ante un experimento muy interesante, pero como esta simulación se puede realizar mediante un ordenador (clásico), en mi opinión, tiene poco interés en el campo de la computación cuántica. Por el camino de incrementar el número de cúbits, los ordenadoresde D-Wave Systems podrían acabar simulando un sistema cuántico tan grande que sea imposible de simular mediante el método de Montecarlo con un ordenador (clásico), alcanzando la supremacía cuántica, pero aún está muy lejos de ello (dado que se limita a simular sistemas con interacciones locales y en dicho caso los superordenadores clásicos permiten simular sistemas extremadamente  grandes).

En resumen, estos dos artículos en Nature y Science son un fuerte empujón para el prestigio de la empresa canadiense D-Wave Systemas a la hora de recabar financiación. Sin embargo, su poco interés desde el punto de vista práctico hace que todo anuncio rimbombante al respecto en los medios deba ser considerado pura propaganda. El año próximo se usará D-Wave 2000Q para resolver algunos problemas de optimización interesantes para los potenciales compradores de este ordenador; habrá que estar al tanto, pero por ahora no hay indicios de que se vaya a alcanzar la supremacía cuántica con esta tecnología analógica.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 23 agosto, 2018
Categoría(s): ✓ Ciencia • Computación cuántica • Física • Nature • Noticias • Physics • Science
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