La ventaja cuántica del hardware de recocido cuántico D-Wave 2000Q

Por Francisco R. Villatoro, el 3 junio, 2021. Categoría(s): Ciencia • Física • Informática • Noticias • Physics • Science

La compañía canadiense D-Wave Systems fabrica hardware de recocido cuántico (en rigor no son ordenadores cuánticos). Su nueva máquina se llama Advantage™ y superará los 5000 cúbits; por ahora solo se han publicado resultados de D-Wave 2000Q™. Este hardware explota el efecto túnel cuántico en pequeños grupos de cúbits superconductores (15 en 2000Q y en Advantage); estos cúbits se acoplan entre sí formando un grafo fijo en el que hay que mapear el problema a resolver. En 2018 se publicó en Nature  la simulación de una red de 1800 espines en una máquina 2000Q con 2048 cúbits y 6016 acopladores funcionales; ahora en 2021 se publica en Nature Communications  la simulación de una red de 1440 espines en un hardware 2000Q con 2030 cúbits y 5909 acopladores funcionales. El equilibrio cuántico en este hardware se alcanza hasta tres millones de veces más rápido que con una simulación de Montecarlo en un ordenador clásico (con un procesador Intel® Xeon® de 26 núcleos). Por ello se afirma que se ha logrado la ventaja cuántica (aunque no se ha comparado con la simulación en un superordenador).

Se ha simulado un modelo topológico para la frustración en un red bidimensional periódica de espines; Kosterlitz y Thouless recibieron el Premio Nobel de Física de 2016 por este tipo de modelos (que presentan una transición de fase de Berezinskii–Kosterlitz–Thouless). La red de espines simulada está formada por octógonos y cuadrados; se usan condiciones de contorno periódicas, luego se comporta como un cilindro; se han simulado longitudes L ∈ {6, 9, 12, 15}. La red está frustrada porque hay tres acopladores antiferromagnéticos (en rojo en la figura) por cada celda (octógono o cuadrado); la frustración significa que no se pueden satisfacer de simultánea los tres. Que una maquina analógica (cuántica) sea más rápida que un ordenador digital (clásico) a la hora de resolver este problema no sorprenderá a nadie. Seguro que sabes que soy muy crítico con las máquinas de D-Wave, sin embargo, confieso que me alegra que alcancen la ventaja cuántica en un problema de interés. Más aún, el speedup demostrado escala linealmente con el número de cúbits, lo que promete que la nueva máquina Advantage logrará un speedup aún mayor. Por supuesto, desde la empresa no están interesados en «vender» estas aplicaciones físicas, sino en las potenciales aplicaciones en la industria farmacéutica, financiera, logística y de fabricación (que por ahora están aún muy lejos).

D-Wave lleva más de diez años afirmando que sus máquinas han logrado la ventaja cuántica; solo convencía a los incautos. Ahora ya puede afirmar que ha logrado la ventaja cuántica (eso si, con una definición laxa y solo para un problema concreto adaptado a la máquina). Una gran noticia. El artículo es Andrew D. King, Jack Raymond, …, Mohammad H. Amin, «Scaling advantage over path-integral Monte Carlo in quantum simulation of geometrically frustrated magnets,» Nature Communications 12: 1113 (18 Feb 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41467-021-20901-5. Recomiendo el artículo de revisión de E. J. Crosson, D. A. Lidar, «Prospects for quantum enhancement with diabatic quantum annealing,» Nature Reviews Physics (28 May 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s42254-021-00313-6, arXiv:2008.09913 [quant-ph] (22 Aug 2020).

Las máquinas de D-Wave permiten simular sistemas cuánticos que tengan una topología muy similar a la propia máquina; en ese sentido se trata de máquinas analógicas  de propósito específica (en lugar de los ordenadores cuánticos digitales de propósito general que ofrecen empresas como Google, IBM, etc.). La gran ventaja de una máquina analógica es que se puede alcanzar un gran número de cúbits; la gran desventaja es que los efectos cuánticos fuertes están localizados en pequeños grupos de cúbits (solo 15 en 2000Q), siendo el comportamiento global de la máquina estocástico (pero no cuántico). Así, lo ideal para una máquina de D-Wave es simular una máquina de D-Wave, es decir, un sistema cuántico muy, muy parecido a una máquina de D-Wave; por fortuna, hay múltiples problemas físicos de interés que dicha categoría.

El problema es que los sistemas cuánticos simulados con las máquinas de D-Wave tienen muchas simetrías que se pueden aprovechar para lograr una simulación clásica ad hoc muy eficiente (mucho más que la propia máquina D-Wave); por ello, los artículos que usan máquinas de D-Wave siempre comparan sus resultados con simulaciones clásicas usando algoritmos de Montecarlo genéricos (que son incapaces de aprovechar de forma automática estas simetrías del problema estudiado).

Esta figura compara el tiempo de cómputo de la máquina D-Wave 2000Q de recocido cuántico (QA) con un simulador de Montecarlo implementado en C++ en una sola CPU. El tiempo mostrado es el necesario para converger al estado de equilibrio a partir de las tres configuraciones iniciales estudiadas. Como se observa, la máquina de D-Wave resuelve en unas decenas de microsegundos lo que requiere unos tres minutos en una CPU. Obviamente, no es justo comparar el tiempo de cómputo entre una máquina analógica (una QPU que cuesta unos quince millones de dólares) y una máquina digital (una CPU que cuesta unos diez mil dólares). ¡Pero quién ha dicho que para lograr la ventaja cuántica haya que ser justo!



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