La nueva arquitectura Pegasus de D-Wave Systems, hacia un ordenador con 5640 cúbits

D-Wave Systems es una compañía canadiense que desarrolla ordenadores con cúbits superconductores. En 2009 desarrolló una arquitectura basada en grafos Chimera, en la que cada cúbit está acoplado a otros 6 cúbits; la usa desde 2011 en sus ordenadores D-Wave One (128 cúbits), Two (512), 2X (1152) y 2000Q (2048). En 2018 ha presentado una nueva arquitectura basada en grafos Pegasus, en la que cada cúbit está acoplado a otros 15 cúbits; la ha usado en su ordenador P6 (680 cúbits) y en su prototipo P16 (5640 cúbits). Estos ordenadores implementan el algoritmo de recocido cuántico. Aún no han demostrado la supremacía cuántica, es decir, no han resuelto ningún problema que no pueda resolver un ordenador clásico).

Te recuerdo que no son ordenadores cuánticos, stricto sensu, aunque usan cúbits. La razón es que sus cúbits no están todos en un estado de superposición coherente durante todo el cómputo del algoritmo. Tampoco son ordenadores de propósito general, ya que solo pueden resolver problemas que se puedan mapear en el algoritmo de recocido cuántico sobre cierto grafo. Aún así, conforme su número de cúbits crece, también lo hace su potencia de cálculo. Quizás algún día acaben siendo más poderosos que los superordenadores clásicos actuales en la resolución del algoritmo concreto que implementan. Pero todavía no lo han logrado.

Más información sobre la arquitectura Pegasus en el artículo de Nike Dattani, Szilard Szalay, Nick Chancellor, “Pegasus: The second connectivity graph for large-scale quantum annealing hardware,” arXiv:1901.07636 [quant-ph], y en la presentación de Jed Whittaker,” D-Wave System Roadmap,” Qubits 2018, 25 Sep 2018 [PDF slides]. A nivel divulgativo recomiendo Brian Wang, “New Pegasus Architecture and 5640 Qubit Future,” Next Big Future, 09 Jan 2019.

La mayor conectividad es la gran diferencia entre la arquitectura Pegasus y la Chimera. Gracias a ella se facilita el mapeado de problemas y se extiende el número de aplicaciones potenciales. Por ejemplo, el mayor grafo con conectividad completa (todos con todos) que se puede mapear en los 2048 cúbits de C16 2000Q tiene 64 nodos, mientras que en 680 de P6 se alcanzan 60 nodos y en los 5640 de P16 hasta 180; para grafos bipartitos completos se alcanzan 64×64 (C16), 52×52 (P6) y 172×172 (P16).

Estos dos vídeos de D-Wave explican cómo funciona el recocido cuántico. Ya lo he explicado en alguna ocasión en este blog, así que no entraré en más detalles.

Quizás lo que te interese saber es si se pueden factorizar números enteros usando estos ordenadores de D-Wave. Y así es, se puede mapear un algoritmo de factorización en un problema de optimización resoluble con un algoritmo de recocido cuántico en un grafo adecuado. Así se pueden factorizar todos los semiprimos (producto de dos primos) hasta 200 000 (unos 18 bits) usando un ordenador D-Wave 2000Q de 2048 cúbits (Raouf Dridi, Hedayat Alghassi, “Prime factorization using quantum annealing and computational algebraic geometry,” Scientific Reports 7: 43048 (2017), doi: 10.1038/srep43048).

Hasta donde me consta, el récord actual es 376 289 = 659 × 571 (un número de 19 bits que es trivial de factorizar con un ordenador clásico), logrado en Shuxian Jiang, Keith A. Britt, …, Sabre Kais, “Quantum Annealing for Prime Factorization,” arXiv:1804.02733 [quant-ph]. Otros resultados similares en Tien D. Kieu, “Factorisation Algorithm in Adiabatic Quantum Computation,” arXiv:1808.02781 [quant-ph]; Richard H. Warren, “Experimental Evidence about “A factorisation algorithm in adiabatic quantum computation” by T. D. Kieu,” arXiv:1901.04579 [quant-ph].

Como puedes comprobar, todavía estamos muy lejos de poder factorizar un número de interés práctico en el criptoanálisis de cifrados usados en seguridad en la web. En todos los problemas prácticos donde se puede usar un ordenador de D-Wave se logran resolver problemas de pequeño tamaño, para los que un ordenador clásico funciona a las mil maravillas. Conforme el número de cúbits crece y aumenta su conectividad este tamaño se acerca a lo que podría ser útil. Por ello es muy necesario que se sigan publicando algoritmos para las máquinas de D-Wave (como, por ejemplo, Elijah Pelofske, Georg Hahn, Hristo N. Djidjev, “Solving large Maximum Clique problems on a quantum annealer,” arXiv:1901.07657 [quant-ph]).

Permíteme acabar recordando que la aplicación futura más interesante para los ordenadores cuánticos será la química cuántica. Ya se han desarrollado algoritmos de este tipo para las máquinas de D-Wave (como Scott N. Genin, Ilya G. Ryabinkin, Artur F. Izmaylov, “Quantum chemistry on quantum annealers,” arXiv:1901.04715 [physics.chem-ph]). Y aunque su uso práctico es muy limitado ahora mismo, todo los expertos  coinciden en que el futuro de la química cuántica en el siglo XXI pasa por los ordenadores cuánticos (Yudong Cao, Jonathan Romero, …, Alán Aspuru-Guzik, “Quantum Chemistry in the Age of Quantum Computing,” arXiv:1812.09976 [quant-ph]).



5 Comentarios

  1. Francis
    Con futuras computadoras cuanticas podremos resolver ´problemas de biologia aplicada? por ejemplo introducir proteinas y descubrir medicamentos exactos? ya que sabremos como actuan perfectamente a nivel de electrones?

    1. Hola,
      Yo no soy Francis pero creo que te puedo responder. Uno de los mayores potenciales de la computacion quantica a nivel comercial es el de que seran capaces de simular sistemas cuanticos complejos, como proteinas o medicamentos, sin tener que recurrir a aproximaciones, o al menos no tantas. Se espera que mejore nuestra capacidad de predecir como cierto medicamento afectara al paciente. Sin embargo esto es lo que se espera, a saber como acaba (esperemos que genial y todos tengamos las mejores medicinas del mundo) y puede que otras tecnicas resulten mas adecuadas. Por ejemplo, una amiga mia esta trabajando en una inteligencia artificial que prediga esto mismo, y a lo mejor es mas precisa, quien sabe.
      Un saludo

  2. Vaya, parece que los científicos e ingenieros están muy seguros que en la proxima década la computación cuántica será toda una realidad y se podrán superar todas las dificultades técnicas para implementar computadores cuánticos de uso general así como redes de datos para transmitir información cuántica (https://spectrum.ieee.org/tech-talk/telecom/internet/quantum-repeater-trial-ignites-hopes-for-longdistance-quantum-cryptography-and-computation). Muchos avances se han dado y mucho dinero invertido. Será bueno comprar algunas acciones?

  3. Hola,pues es y sera muy interesante ver como la inteligencia artificial (y otras), pone en manos de
    la Física cuántica su propia existencia.
    Un saludo y gracias.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 11 febrero, 2019
Categoría(s): ✓ Ciencia • Computación cuántica • Informática • Noticias • Science
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