El equipo de John M. Martinis (Google AI Quantum) publicó la supremacía cuántica (o ventaja cuántica(∗)) en octubre de 2019 usando el ordenador cuántico Sycamore de 53 cúbits superconductores (su simulación clásica requiere 253 ≈ 1016 estados cuánticos); se ejecutó un algoritmo específico sin utilidad práctica. La misma semana, su competidor más directo, el grupo de Jianwei Pan y Chao-Yang Lu (ambos en el USTC, Hefei, China) anunció el algoritmo de BosonSampling gaussiano con 14 fotones detectados de 20 (su simulación clásica requiere ≈ 1014 estados cuánticos). Ahora publican en Science la supremacía cuántica con dicho algoritmo usando hasta 76 fotones detectados, con una media de 43 fotones de 100; su simulación clásica requiere al menos ≈ 1030 estados cuánticos, lo que equivale a unos 100 cúbits. Siendo el espacio de Hilbert 14 órdenes de magnitud más grande, se puede considerar una demostración más firme. El algoritmo de BosonSampling no tiene utilidad práctica (aunque se ha propuesto su uso para la resolución de ciertos problemas en grafos). Todo un hito para la ciencia china.
El algoritmo de BosonSampling (muestreo de bosones) fue concebido en el año 2010 por Scott Aaronson y Alex Arkhipov (arXiv:1011.3245 [quant-ph]) como el modo más sencillo de demostrar la supremacía cuántica; se basa en pasar cierto número de fotones por un gran interferómetro formado por una matriz configurable de divisores de haz (beamsplitters) y en muestrear (con detectores de tipo click) el estado cuántico final de los fotones. Pan, Lu y sus colegas han usado una versión simplificada llamada BosonSampling gaussiano; lo han implementado en un interferómetro (bautizado Jiuzhang) para 100 fotones con una matriz de conectividad completa que se puede configurar de forma aleatoria (así la simulación clásica no puede aprovechar ningún heurístico basado en dicha conectividad); en la entrada se inyectan 50 fotones en estados cuánticos indistinguibles de tipo squeezed y en la salida se usan 100 detectores de un solo fotón de alta eficiencia. En una ejecución de 200 segundos se han obtenido 3 097 810 eventos con una coincidencia de 43 fotones y uno con 76 fotones. Alcanzar 76 coincidencias de fotones en una simulación clásica en un supercomputador puede requerir cientos de millones de años (en lugar de los 200 segundos en Jiuzhang).
La nueva demostración de la supremacía cuántica refuta a todos los críticos de la primera (el escéptico de la computación cuántica que más ruido ha hecho es Gil Kalai; LCMF, 29 nov 2016). Por supuesto, hasta que no se demuestre la supremacía cuántica en un ordenador cuántico de propósito general con corrección de errores en la resolución de un problema de interés práctico, todos los hitos solo tienen interés académico (e histórico). El nuevo artículo es Han-Sen Zhong, …, Chao-Yang Lu, Jian-Wei Pan, «Quantum computational advantage using photons,» Science 370: 1460-1463 (18 Dec 2020), doi: https://doi.org/10.1126/science.abe8770, arXiv:2012.01625 [quant-ph]; se ha publicado en la web de Science de forma anticipada, por ello aún no tiene ni volumen ni números de página; cuando se publique de forma definitiva será acompañado de un artículo divulgativo (Perspective de Science) escrito por Scott Aaronson (quien ha sido uno de los revisores). A nivel divulgativo recomiendo leer a Emily Conover, «The new light-based quantum computer Jiuzhang has achieved quantum supremacy,» ScienceNews, 03 Dec 2020; Daniel Garisto, «Light-based Quantum Computer Exceeds Fastest Classical Supercomputers,» Scientific American, 03 Dec 2020; Scott Aaronson, «Quantum supremacy, now with BosonSampling,» Shtetl-Optimized, 03 Dec 2020.
(∗) El término «supremacía» tiene connotaciones racistas y fascistas para muchos expertos en computación cuántica, que prefieren el término «ventaja cuántica» (Carmen Palacios-Berraquero et al., «Instead of ‘supremacy’ use ‘quantum advantage’,» Nature 576: 213 (10 Dec 2019), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-019-03781-0). Por ello el título del nuevo artículo en Science pone «ventaja cuántica». Sin embargo, no he usado dicho término en mi titular porque no quiero que ningún lector de este blog se confunda y piense por error que «ventaja cuántica» es algo más allá de «supremacía cuántica». Prometo usar en futuras piezas el término «ventaja cuántica» para evitar herir sensibilidades.
El esquema experimental es realmente espectacular. En 2019 el equipo de USTC usó un interferómetro para 60 fotones en el que se inyectaron 20 fotones logrando demostrar el BosonSampling gaussiano con coincidencias de hasta 14 fotones; el artículo es Hui Wang, …, Chao-Yang Lu, Jian-Wei Pan, «Boson Sampling with 20 Input Photons and a 60-Mode Interferometer in a 1014-Dimensional Hilbert Space,» Physical Review Letters 123: 250503 (18 Dec 2019), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.250503, arXiv:1910.09930 [quant-ph] (22 Oct 2019). Ya se anticipaba que el hito de la supremacía cuántica estaba próximo, por ejemplo, en Marric Stephens, «Quantum Computers Approach Milestone for Boson Sampling,» Physics 12: s146 (18 Dec 2019), https://physics.aps.org/articles/v12/s146. Ahora se ha usado un interferómetro para 100 fotones en el que se inyectan 50 fotones logrando demostrar el BosonSampling gaussiano con coincidencias de hasta 76 fotones.
El resultado de la ejecución en Jiuzhang del algoritmo de BosonSampling gaussiano se muestra en la figura de la izquierda. Parece un resultado casi trivial, pero como es un resultado cuántico para un interferómetro con una conectividad aleatoria su simulación usando un superordenador clásico es inviable. Creo que es importante destacar que una implementación del BosonSampling no es un ordenador cuántico, stricto sensu; la razón es que no es un modelo universal de computación cuántica, solo permite implementar un único algoritmo, aunque se puede cambiar la conectividad del interferómetro. La tecnología de cúbits superconductores permite desarrollar ordenadores cuánticos que son universales, en principio, para un número arbitrario de cúbits; obviamente, con los 53 cúbits de Sycamore y un máximo de unas 20 operaciones cuánticas aplicables en secuencia solo se pueden ejecutar algoritmos cuánticos triviales (aunque con algunos de ellos se logre la supremacía).
La computación cuántica con óptica lineal es universal, como demostraron E. Knill, R. Laflamme, G. J. Milburn, «A scheme for efficient quantum computation with linear optics,» Nature 409: 46-52 (04 Jan 2001), doi: https://doi.org/10.1038/35051009, arXiv:quant-ph/0006088 (20 Jun 2000). El BosonSampling se puede convertir en universal si se añade un sistema de medida adaptativo; para ello hay que introducir en el interferómetro entre todos los divisores de haz dispositivos de medida del estado de los fotones y un sistema que cambie la configuración del resto divisores de haz en función de los resultados de dichas medidas. Hoy en día no es factible implementar esta tecnología con muchos fotones pues la inclusión de dispositivos de medida introduce pérdidas que degradan el resultado final.
En la figura de la derecha se muestra cómo ha crecido la dimensión del espacio de Hilbert (el número de estados cuánticos) alcanzable con la tecnología de BosonSampling desde 2013 hasta 2020. Se observa el enorme salto que han logrado los chinos de USTC desde 2019. No creo que en los próximos años esta tecnología siga progresando para demostrar otra vez la supremacía con mayor número de fotones; en mi opinión, los esfuerzos en los próximos años se dirigirán hacia la implementación de la óptica lineal universal de KLM, para lograr aplicaciones de interés práctico.
Estas figuras resumen los resultados de validación del algoritmo de BosonSampling implementado. A la izquierda para simulaciones con muestreo térmico y a la derecha para simulaciones con muestre uniforme. Aaronson nos cuenta una anécdota sobre el proceso de revisión. En el preprint en arXiv (que corresponde al manuscrito enviado a Science para revisión) en esta figura se validaba para entre 26 y 30 coincidencias de fotones para muestreo térmico, y para 30 coincidencias para muestreo uniforme. Nos cuenta Aaronson en su blog que como revisor preguntó a los autores por qué se limitaban a 30 coincidencias cuando se estima que el superordenador más poderoso del mundo puede alcanzar entre 40 y 50 coincidencias. Un par de semanas más tarde los autores le enviaron el manuscrito revisado incluyendo la figura que te muestro aquí, para entre 34 y 38 coincidencias fotones para muestreo térmico, y para 40 coincidencias para muestreo uniforme. Los autores le respondieron que no pudieron subir más allá de 40 coincidencias porque les costó 400 000 dólares el tiempo de cómputo del superordenador Sunway TaihuLight para realizar dichas simulaciones. Según Aaronson, se trata el informe de revisión más caro que ha escrito; y yo apostillo que quizás sea el más caro de la historia.
Resulta difícil estimar el tiempo de cálculo de una simulación clásica con coincidencias de hasta 76 fotones en el superordenador más poderoso del mundo (Fugaku, Centro RIKEN de Ciencia Computacional, Japón, según el TOP500 de Nov 2020), pero será superior a cientos de miles de años (a comparar con 200 segundos en Jiuzhang). En el artículo en Science se estima el tiempo de cómputo para entre 50 y 76 coincidencias (ver la figura) a partir del tiempo de cómputo en Sunway TaihuLight de hasta 40 coincidencias; recuerda que 1013 segundos son más de trescientos mil años.
En resumen, no te he explicado en detalle cómo funciona el BosonSampling gaussiano, pues mi intención es que compares la supremacía cuántica con óptica lineal usando BosonSampling gaussiano y con un ordenador cuántico universal con cúbits superconductores. Para la computación cuántica, lo más relevante del nuevo resultado es que elimina todas las dudas sobre el logro de la supremacía. Sin lugar a dudas quedan muchas décadas hasta que haya ordenadores cuánticos capaces de resolver problemas prácticos de interés aplicado; pero mientras tanto hay que destacar que todo apunta a que no hay límites físicos conocidos para el número de cúbits alcanzables. Así que el siglo XXI promete ser el siglo de los ordenadores cuánticos.
Gracias…, excelente artículo
por que las computadoras cuanticas universales de decenas de miles de millones de qubits nunca sa van a usar como las computadoras de escritorio y ni siquiera como las supercomputadoras que es lo que hace a las computadoras cuanticas que no puedan reemplazar en todas las aplicaciones a las computadoras clasicas?
¿Qué sentido tiene reemplazar una tecnología barata por una tecnología cara en el mismo nicho tecnológico? En un ordenador clásico de mil millones de bits todos son útiles. En un potencial ordenador cuántico de mil millones de cúbits un porcentaje muy alto (superior al 90 %) son inútiles porque su función es aplicar algoritmos de corrección de errores.
Como se encuentra de desarrollada la investigación en computación cuántica, en España ? El desarrollo de la computación cuántica es multidisciplinar, hay grados donde se plantea implementar formación en c.cuántica ?
El mismo sentido que tuvo reemplazar los servidores empresariales y el almacenamiento casero por computación y almacenamiento en la nube, quizás. De los mil millones de bits útiles que tiene un ordenador, se «inutilizan» un buen puñado, por ejemplo, en controlar el hardware, razón por la cual es más eficiente virtualizar esos ordenadores en uno más grande.
A corto plazo es inviable, pero me pregunto si su uso vía API para consultas concretas en el medio y un servicio de computación generalizado en el largo plazo son tan descabellados.
«He adds that the calculation that they carried out — called the boson-sampling problem — is not just a convenient vehicle for demonstrating quantum advantage, but has potential practical applications in graph theory, quantum chemistry and machine learning.» (Nature)
Gloria a la China Popular!!!
Entonces, al final del segundo párrafo del artículo, ¿deberíamos quedarnos mejor con la idea de miles, en vez de millones?
Gracias por la entrada, el tema es apasionante.
“Alcanzar 76 coincidencias de fotones en una simulación clásica en un supercomputador puede requerir cientos de millones de años (en lugar de los 200 segundos en Jiuzhang)”.
Buenos días Francisco. Te importaría comentar lo que ha publicado Atos?
https://www.globenewswire.com/news-release/2020/12/04/2139677/0/en/Atos-announces-Q-score-the-only-universal-metrics-to-assess-quantum-performance-and-superiority.html#:~:text=Atos'%20Q%2Dscore
Muchas gracias,
Gonzalo
El término supremacía no tiene connotaciones racistas más allá de que ha sido usado en la construcción «supremacía blanca». Aquellos que quieren restringir el uso de algunas palabras a ciertos contextos parece que más bien quisieran tener el monopolio de uso de dichas palabras para poder hacer ruido con ellas sin ser cuestionados por nadie.
¿Son supremacia, esclavo o master palabras racistas? Pues entonces usémoslas en otros contextos para así despojarlas de esa connotación, si es que las tuvieran. Lo contrario es perpetuar el «lenguaje neocolonialista» y caer en el «virtue-signaling»
Por lo demás, un gran artículo, como siempre. Gracias, Francis.
Una cosa curiosa. Al revisar muchos artículos, casi siempre de autores de la misma nacionalidad, me encuentro con la frase «nuestro método ha demostrado su superioridad frente». Siempre les recomiendo a los autores que sustituyan esta frase por «nuestro método proporciona mejores resultados en los casos analizados frente». Puede que sea por el poco dominio del inglés o por la idosincracia de un país que avanza a pasos agigantados hacia la supremacía mundial.
Interesante reflexión sobre …a(∗)).
Creo que Francis, con la última oración del párrafo asteriscado, promete no usar (más) el término al que haces referencia, Juan, unido al término «cuántica»…razonándolo.
Consecuentemente, el título de este artículo es (prácticamente) «improbable»…
Razones no faltan.
(-;)
Absolutamente de acuerdo con tu apreciación, Juan. Me parece inadecuado restringir el lenguaje simplemente porque para algunos existan acepciones o usos de las palabras que puedan ser ofensivos en otros contextos.Tampoco se trata de andar molestando, pero es triste que haya personas que se ofendan cuando saben perfectamente que no está en el ánimo del que la emplea el molestar y que no es la palabra, sino las intenciones lo que realmente cuenta.
En la línea de lo que tú dices, parece que hay gente con la escopeta cargada esperando la más mínima oportunidad para cambiar de tema y hacer ruido con ciertas opiniones. ¿Quieren «prohibir de facto» «supremacía» en ciencias de la computación? Pues vaya: Eso es censura. En este caso autocensura, pero censura al fin y al cabo, no te vayan a clasificar mal como persona…
Además, qué pobre sugerencia es, ya sé que no es de Francis, lo de la «ventaja cuántica». No se trata de ventaja, sino de supremacía o dominio. La «supremacía cuántica» se logra al tratar problemas donde básicamente no se puede hacer computación clásica, donde hay muchos órdenes de magnitud de diferencia en tiempo de cálculo estimado, que es lo primero que uno lee en las exposiciones de los trabajos de Martinis y de Pan y Lu. A falta de supremacía, yo sugeriría «dominio», que casi es mejor por la doble acepción de «espacio» donde se ejercen ciertas reglas. Lamentablemente, a mayor número de ofendiditos, mayor la lista de palabras prohibidas (y libros prohibidos). ¿Se permitirá «dominio»? ¿A quién hay que preguntar? La iglesia, segunda parte.
Uno+
zero
ultra-
filtro
pasodoble
universal
«irresoluble»
espaciotiempo
matemáticas/os
=10,en Base10;2
…Permitidme contar una breve historia más.
Algoritmo se declaró término doliente por «razones de estado»
Ultra porque estaba muy lejos de la realidad
Irresoluble es verdad y verdad es si y punto
Evite juntar tensor y curvatura al doblar una esquina, ofende
Yuntar, toros y pasodoble es XXX o ¿acaso no es una combinación «horrible»?
Al tercer dia, la humanidad sucumbió
Sólo quedó {,; y una poesia}
«.»
Vengo oyendo hablar del ordenador cuántico desde los setenta, y sólo me he quedado con la frase final » quedan muchas décadas hasta que haya ordenadores cuánticos capaces de resolver problemas prácticos de interés «.
Enhorabuena, una entelequia que va a durar siglos sin expectativas de ningún resultado práctico.
Como el reactor de fusión, ese que pretende imitar al Sol y producir energía limpia.
Igual algún siglo de éstos, si ya.
Con todo el respeto y sin ánimo de molestar, me sorprende esto que comenta toda vez que (que yo sepa, tal vez me equivoque) la computación cuántica se inicia con el paper de Paul Benioff en 1980.
Me deja intrigado la ultima figura. Parece que requiere menos tiempo calcular 75 que 70 ¿Cómo es posible?
Un saludo
Excelente artículo aunque cabe destacar un detalle que siempre confunde a los novatos (y no tan novatos) en física.
La supremacía cuántica, es decir, la capacidad de un sistema cuántico de superar la potencia de cálculo de cualquier sistema macroscópico, quedó demostrado desde las primeras etápas de la física cuántica. Sin esa supremacía cuántica que permite una superposición *infinita* de ondas de probabilidad, el Universo y las leyes de la física tal como las conocemos no podrían existir.
En realidad el reto de la supremacía cuántica consiste en demostrar si podemos utilizarla a voluntad para resolver los problemas que los humanos (vs los sistemas cuánticos) queremos resolver.
Aunque suene un poco sensacionalista creo sinceramente que «el futuro» ya está aquí. Muchos de los dispositivos futuristas que aparecían en las películas de ciencia ficción de los 80 o 90 (si ya soy un poco viejuno 😀 ) ya son realidad: hologramas, PDAs, inteligencia artificial, conexiones inalámbricas de alta velocidad, coches que conducen solos, dispositivos portátiles que analizan ADN, incluso creo que ya hay un «coche» capaz de volar de forma autónoma. Ahora somos capaces de detectar ondas gravitatorias, fabricar medicamentos que luchan contra virus en pocos meses, fabricar IAs que reconocen caras, analizan datos de forma masiva e incluso ya están ayudando a resolver problemas de física fundamental como estudiar el «landscape» de la teoría de cuerdas o en problemas de QFT. ¿Quien dijo que la ciencia está estancada? Es cierto que hay cosas que dan un poco de vértigo y que estamos perdiendo la comunicación personal «tradicional» sobre todo ahora con la puñetera pandemia pero eso no es culpa de la ciencia sino del uso que se hace de las nuevas tecnologías…
Y ahora entramos en la era de la computación cuántica. Como dice Francis estos nuevos avances solo tienen interés teórico o «académico» y las aplicaciones prácticas aun tardarán en llegar, sin embargo, creo que la demostración de que la supremacía cuántica no es solo algo teórico sino que es algo real y físicamente realizable es un logro espectacular. La función de onda, los vectores en un inmenso espacio de Hilbert, las operaciones unitarias, las amplitudes de probabilidad… todos estos conceptos teóricos tan ajenos a nuestro mundo cotidiano «descienden» desde el «mundo abstracto de las Matemáticas» hasta un dispositivo óptico para conseguir que un muestreo de millones de años se realice en unos pocos segundos. Si esto no es algo realmente increíble no se que puede serlo. La información, a nivel fundamental, es decir, a nivel cuántico, no es un 0 o un 1, sino una superposición de todos los estados posibles entre 0 y 1. Además hay estudios teóricos recientes que parecen indicar que esta información cuántica es la clave para entender la naturaleza del espacio-tiempo. Hay incluso trabajos teóricos que indican que un computador cuántico podría simular los componentes fundamentales de los cuales (en teoría) emerge el espacio-tiempo… Es probable que al final, la información sea la clave de todo: la vida, las Matemáticas y la Física e incluso el propio espacio-tiempo están compuestas de información a nivel fundamental… ¿no es algo increíble?
Soy sincero, no soy físico y no entiendo bien el articulo, aunque he leído muchos libros de divulgación sobre astrofísica y mecánica cuántica, mis conocimientos son muy limitados.
Solo quería dejar constancia de hacia donde creo que va toda la ciencia y en particular todo lo relacionado con computación.
La ultima pregunta. Isaac Asimov
En lo personal la única manera de entender una computadora cuántica es cuando tenga una a mi alcance. Por lo pronto solo estoy pendiente de que se alcance la supremacía de ARM sobre x86
Hola Francis
perdon que pregunto esto en un articulo diferente al tema.
Queria saber si vas a escribir sobre este paper https://www.pnas.org/content/early/2020/11/25/2005087117
Sino, queria preguntarte algo si lo leiste, no entiendo que hicieron lograron conocer el codigo neuronal del mono durante el agarre de objetos? a que nivel? eso significa que se puede reproducir en una red neuronal articifial y tener una mano prostatica con el mismo nivel que una de un mono?
Benjamin, se ha registrado la actividad cortical de dos macacos en tres regiones: AIP, que recibe información visual, F5, que está asociada a la mano, y M1, que realiza el control motor de la mano; se ha registrado durante el agarre de 7 objetos de 6 tamaños diferentes usando dos matrices de 32 microelectrodos por región, con un total de 192 microelectrodos. Se ha entrenado una red de neuronas artificiales con tres capas, una por región cortical, para que aprenda a producir la señal motora de los 64 electrodos de M1 (en realidad, una versión simplificada, las primeras 50 componentes principales de dicha señal preprocesada de forma adecuada) a partir de la información visual de los 64 electrodos de AIP (en realidad, una versión simplificada, las primeras 20 componentes principales de dicha señal preprocesada de forma adecuada). La red predice bien las observaciones (la señal promedio tras 10 sesiones cada una con unos 500 experimentos con cada macaco). Nada más.
Madre mía, el asunto se ha complicado… 🙄
https://www.scottaaronson.com/blog/?p=5159