Dos veces al año, el proyecto TOP500 publica una clasificación con los ordenadores más potentes del mundo. Esa lista tan esperada resulta muy influyente. Las superpotencias mundiales compiten para liderar la lista, en este momento, China alcanza el máximo nivel, con 229 dispositivos incluidos.

Aunque Estados Unidos cuenta con solo 121 máquinas de este tipo, ocupa el número uno de la lista con la más potente del mundo: el superordenador Summit del Laboratorio Nacional Oak Ridge, que registró 143 petaflops (143.000 billones de operaciones de coma flotante por segundo).

La clasificación la establece un programa de evaluación comparativa (o benchmarking) llamado Linpack, que es una colección de subrutinas FORTRAN que resuelven un rango de ecuaciones lineales. El tiempo necesario para resolver las ecuaciones permite medir la velocidad del ordenador.

Pero esta forma de realizar la evaluación comparativa genera mucha polémica. Las arquitecturas de los ordenadores generalmente están optimizadas para resolver problemas específicos, por lo que muchas de ellas no están adaptadas al desafío de Linpack. Los ordenadores cuánticos, por ejemplo, son totalmente inadecuados para resolver este tipo de problemas.

Y eso plantea una cuestión importante. Las ordenadores cuánticos están a punto de superar a los superordenadores más potentes en algunos tipos de problemas, pero ¿qué potencia tienen exactamente? La parte complicada reside en medir su rendimiento y compararlo con el de los ordenadores convencionales.

El investigador del Laboratorio de Inteligencia Artificial Cuántica del Centro de Investigación Ames de la NASA en California, (EE. UU.) Benjamin Villalonga y su equipo han desarrollado una prueba de evaluación comparativa que funciona tanto en dispositivos convencionales como en dispositivos cuánticos. De esta manera, es posible comparar su rendimiento.

El equipo ha usado su nueva prueba en Summit, el superordenador más potente del mundo, y ha alcanzado un ritmo de 281 petaflops. Este resultado se ha convertido en el nuevo punto de referencia que los ordenadores cuánticos deben superar demostrar definitivamente la supremacía cuántica.

Encontrar un buen sistema para medir la potencia de la computación cuántica no es fácil. Para empezar, los informáticos saben desde hace mucho sabiendo que los ordenadores cuánticos solo pueden superar a los superodenadores convencionales en un número limitado de tareas muy concretas. Y aún así, ningún ordenador cuántico actual es lo suficientemente potente como para realizarlas de forma eficaz porque, por ejemplo, son incapaces de corregir errores.

Así que Villalonga y sus colegas buscaron una prueba de potencia de computación cuántica mucho más básica que funcionaría igual de bien para los dispositivos primitivos de hoy y las máquinas cuánticas más avanzadas del mañana, y también se podría simular en máquinas convencionales.

Decidieron simular la evolución del caos cuántico mediante circuitos cuánticos aleatorios. Los ordenadores cuánticos simples pueden hacer este tipo de tareas porque el proceso no requiere una gran corrección de errores, y filtrar los resultados superados por el ruido resulta relativamente sencillo. A los ordenadores convencionales también les resulta sencillo simular el caos cuántico. Pero la potencia de la computación convencional requerida para hacerlo aumenta exponencialmente con la cantidad de cúbits involucrados.

Hace dos años, los físicos determinaron que un ordenador cuántico con al menos 50 cúbits debería alcanzar la supremacía cuántica sobre un superordenador convencional.

Pero el listón es cada vez más alto ya que los superordenadores no dejan de evolucionar. Por ejemplo, Summit es capaz de realizar muchos más petaflops ahora que cuando se estableció la última clasificación el noviembre pasado, cuando alcanzó un ritmo de 143 petaflops. De hecho, la semana pasada, el Oak Ridge National Labs reveló sus planes para construir una máquina de 1,5 exaflop para 2021. Por lo tanto, es cada vez más importante poder comparar continuamente estas máquinas con los ordenadores cuánticos emergentes.

Un equipo de investigadores de la NASA y Google han creado un algoritmo llamado qFlex que simula circuitos cuánticos aleatorios en una máquina convencional. El año pasado, demostraron que qFlex podría simular y comparar el rendimiento de un ordenador cuántico de Google llamado Bristlecone, con 72 cúbits. Para lograrlo, utilizaron un superordenador de la NASA con 20 petaflops de potencia de cálculo.

Ahora, acaban de demostrar que el superordenador Summit puede simular el rendimiento de un dispositivo cuántico mucho mayor. Los investigadores detallan: "En Summit, pudimos lograr un rendimiento sostenido de 281 petaflops por segundo (precisión simple) en todo el superordenador, simulando circuitos de 49 y 121 cúbits ", explican.

Estos 121 cúbits superan la capacidad de cualquier ordenador cuántico existente. Por lo tanto, los ordenadores convencionales siguen por delante de sus homólogos cuánticos en la clasificación.

Pero antes o después, los superordenadores acabarán derrotados. Ya hay planes en marcha para construir ordenadores cuánticos con más de 100 cúbits en los próximos años. Y a medida que las capacidades cuánticas se aceleran, el desafío de construir máquinas convencionales cada vez más potentes empieza a encontrarse barreras.

El factor limitante para los nuevos superordenadores ha dejado de ser el hardware, ahora el problema está en la potencia disponible para que sigan funcionando. Summit necesita una fuente de alimentación de 14 megavatios, una cantidad suficiente para iluminar toda una ciudad de tamaño mediano. "Para escalar 10 veces un sistema de este tipo se necesitarían 140 megavatios de potencia, lo que sería demasiado caro", asegura Villalonga.

En cambio, los ordenadores cuánticos son parcos en potencia. Su principal requisito energético se centra en el enfriamiento de sus componentes superconductores. Entonces, un ordenador de 72 cúbits como Bristlecone de Google, por ejemplo, requiere aproximadamente 14 kilovatios. Aunque los sistemas de cúbits aumenten, es poco probable que la energía necesaria crezca mucho", concluye Villalonga.

Así que, antes o después, los ordenadores cuánticos ganarán con creces a sus rivales convencionales en las clasificaciones de eficiencia. De una forma u otra, la supremacía cuántica está llegando. Y si nos basamos en este trabajo, lo más probable es que qFlex consiga demostrarlo.

Ref: arxiv.org/abs/1905.00444: Establishing the Quantum Supremacy Frontier with a 281 Pflop/s Simulation