En el año 2019 se publicó en Nature que el ordenador cuántico Sycamore de Google logró la ventaja cuántica con 53 cúbits (LCMF, 23 sep 2019). Todo un hito histórico para un ordenador cuántico digital de propósito general, aunque se implementó un inútil algoritmo cuántico de generación de ruido cuántico (tras su logro, John M. Martinis abandonó Google AI Quantum). Quizás te preguntes si la ventaja cuántica ha sido lograda por algún ordenador cuántico analógico de propósito específico. En el año 2016 se publicó en Physical Review X que un ordenador cuántico D-Wave 2X (propiedad de Google) logró la ventaja cuántica con hasta 945 cúbits (LCMF, 11 dic 2015); por cierto, Martinis fue uno de los coautores. Este hito histórico es menos conocido, quizás porque tiene truco. Este ordenador analógico de recocido cuántico es equivalente a un modelo de Ising con cúbits (un vidrio de espines donde estos se aproximan por cúbits); lo que se hizo, en rigor, fue poner en marcha el ordenador, en la práctica, repetir las pruebas de funcionamiento de la propia compañía D-Wave Systems. Para verificar que funcionaba se compararon sus resultados con simulaciones clásicas de dicho ordenador, tanto con algoritmos de recocido simulado (SA) como de Montecarlo cuántico (QMC). Como muestra la figura, el coste en tiempo de la simulación (~28 horas para QMC) fue unos diez millones (siete órdenes de magnitud) superior al tiempo de ejecución (~10 milisegundos) de D-Wave 2X; por cierto, el gasto por el uso de un superordenador superó un millón de dólares. Como es obvio, lograr la ventaja cuántica en la simulación clásica de un ordenador analógico es hacer trampa.

No te dejes engañar por mi uso sesgado de las palabras truco y trampa. En 2018 se publicaron en Science y en Nature sendas ventajas cuánticas usando ordenadores D-Wave 2000Q con 1800 cúbits (LCMF, 23 ago 2018); en esencia se usó el mismo truco (aunque para los puristas fuese una versión refinada). En 2021 se publicaron en Science y en 2022 en Nature Physics nuevas ventajas cuánticas con un ordenador D-Wave 2000Q con 2000 cúbits. En 2023 se publicó en Nature la ventaja cuántica usando un ordenador D-Wave Pegasus con 5000 cúbits; se usó un ordenador cuya arquitectura es un vidrio de espines con cúbits en lugar de espines para simular un vidrio de espines usando cúbits en lugar de espines; un hito idéntico al publicado en 2016, aunque con 5000 cúbits en lugar de 945 cúbits. Nadie en el mundo puede realizar una simulación clásica con superordenadores de los ordenadores de D-Wave Systems (ni se puede ni merece la pena). La comunidad científica en computación cuántica lleva muchos años asumiendo a la chita callando que los ordenadores analógicos de recocido cuántico han superado la ventaja cuántica. Sin embargo, por deferencia al enorme eco mediático del trabajo de Martinis en Google en 2019, se suele afirmar (no sin rubor) que D-Wave Systems logró la ventaja cuántica, como pronto, en 2020. Pero, tras hitos como los 5000 cúbits de 2023, negar la mayor ya es imposible.

D-Wave Systems no ha proclamado a los cuatro vientos su ventaja cuántica hasta marzo de 2024, con un artículo en arXiv que ha sido enviado a Physical Review X, donde aún no ha aparecido. Se ha logrado con un ordenador D-Wave Zephyr con 5627 cúbits. La arquitectura Zephyr (ADV2) se diferencia de la Pegasus (ADV1) en la topología que interconecta los cúbits, que se enfrían a 12 mK (milikelvin) en lugar de 15 mK. Por tanto, las simulaciones cuánticas de D-Wave son un vidrio de espines diferente (aunque las diferencias son sutiles). La novedad del nuevo artículo es que se ofrece una estimación del coste en tiempo (segundos por GPU) que exigiría una simulación clásica (que nadie nunca realizará) del ordenador D-Wave Zephyr (o lo que es lo mismo, de las simulaciones cuánticas de vidrios de espines a las que equivale la ejecución de este ordenador analógico). Como observas en la figura, se estima que el coste en tiempo de la simulación clásica supera con creces el millón de años en el superordenador Frontier (que lidera el TOP500 en junio de 2024); además, se estima que serían necesarios 700 PB (petabytes) de memoria y un gasto energético superior a todo lo que consume la humanidad en un año. El superordenador Frontier está en el Oak Ridge National Laboratory (EEUU) y, como es obvio, nadie lo usará nunca para la tontería de simular el ordenador D-Wave Zephyr.

Tras llegar hasta aquí, te preguntarás si se ha logrado la ventaja cuántica en algún problema útil, que te pueda servir para algo práctico. La respuesta es un rotundo no. Ni con ordenadores cuánticos digitales de propósito general, ni con ordenadores cuánticos analógicos de propósito específico, se ha logrado una ventaja cuántica usando un algoritmo cuántico que tenga alguna utilidad práctica. Por supuesto, todos los algoritmos cuánticos implementados tienen cierto interés en ciencia básica, por ello se han publicado en revistas prestigiosas. Pero nadie usará Sycamore para generar ruido cuántico, pues hay métodos mucho más baratos; aunque esta fue la aplicación «práctica» propuesta en su momento para el algoritmo de Martinis. Y, como es obvio, entre los expertos en vidrios de espines, las simulaciones logradas en los ordenadores de D-Wave Systems son consideradas interesantes, no en balde los artículos han sido citados cientos de veces. Sin embargo, en honor a la verdad, no se ha descubierto nada nuevo en dichas simulaciones analógicas con miles de cúbits que no se hubiera observado antes en simulaciones clásicas con decenas de cúbits (que se pueden realizar en tu PC). Confirmar lo conocido es beneficioso para quien quiere promocionar el logro de la ventaja cuántica, pues elimina las dudas sobre si el funcionamiento de la máquina cuántica es correcto. Mas confirmar lo conocido no genera ninguna sorpresa, el motor de los avances relevantes en ciencia.

Con esta pieza solo quiero que te formes tu propia opinión sobre este tema. Recuerda que yo estoy muy sesgado (por el seguimiento que he hecho en este blog de los avances de D-Wave Systems). Te lo repito, no te dejes engañar por mi sesgo. Disfruta de tu propio escepticismo. El nuevo artículo es Andrew D. King, Alberto Nocera, …, Mohammad H. Amin, «Computational supremacy in quantum simulation,» Phys. Rev. X (submitted), arXiv:2403.00910 [quant-ph] (01 Mar 2024), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2403.00910; más información divulgativa en Quantum News, «D-Wave Claims Quantum Advantage in New Research,» Quantum Zitgeist, 06 Mar 2024. También he citado los artículos de Vasil S. Denchev, …, John Martinis, Hartmut Neven, «What is the Computational Value of Finite-Range Tunneling?» Physical Review X 6: 031015 (01 Aug 2016), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.6.031015; R. Harris, Y. Sato, …, J. Yao, «Phase transitions in a programmable quantum spin glass simulator,» Science 361: 162-165 (13 Jul 2018), doi: https://doi.org/10.1126/science.aat2025; 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: https://doi.org/10.1038/s41586-018-0410-x, arXiv:1803.02047 [quant-ph] (06 Mar 2018); Andrew D. King, Cristiano Nisoli, Alejandro Lopez-Bezanilla, «Qubit spin ice,» Science 373: 576-580 (15 Jul 2021), doi: https://doi.org/10.1126/science.abe2824; Andrew D. King, Sei Suzuki, …, Mohammad H. Amin, «Coherent quantum annealing in a programmable 2,000 qubit Ising chain,» Nature Physics 18: 1324-1328 (15 Sep 2022), doi: https://doi.org/10.1038/s41567-022-01741-6; Andrew D. King, Jack Raymond, …, Mohammad H. Amin,» Quantum critical dynamics in a 5,000-qubit programmable spin glass,» Nature 617: 61-66 (19 Apr 2023), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-023-05867-2.

Esta pieza está inspirada en las dos respuestas del usuario user1271772 de Stack Exchange Quantum Computing a sendas preguntas del usuario sheesymcdeezy: «Did D-Wave show quantum advantage in 2023?» SE QC, 01 Sep 2023, y «Does the D-Wave hardware show any advantage for academic use-cases, for example in condensed matter physics?» SE QC, 03 Sep 2023.