Foto: Un ejemplo del tipo de tarea que puede ser simulada con un ordenador de 45 qubits.

Los informáticos tienen un nombre para el punto en el que los ordenadores cuánticos se vuelvan más potentes que los ordenadores convencionales. Lo llaman "supremacía cuántica" y según todos los indicios ese momento se avecina rápidamente.

Se cree que un ordenador cuántico capaz de lidiar con 49 qubits igualará la capacidad del superordenador más potente del planeta. Y cualquier cosa más grande que eso irá más allá de las capacidades de las máquinas de computación tradicionales.

Eso aún no acaba de ser posible. Pero suscita importantes preguntas sobre cómo podemos saber si estos ordenadores cuánticos funcionarán como esperamos. Para averiguarlo, los informáticos han empezado a utilizar potentes ordenadores clásicos para simular el comportamiento de los ordenadores cuánticos.

La idea consiste en calibrar y comparar su comportamiento con la mayor precisión posible mientras aún podemos. Después de eso, tendremos que limitarnos a confiar en el mundo cuántico.

Por supuesto, nadie ha simulado aún un ordenador cuántico de 49 qubits. Pero ahora, Thomas Haner y  Damian Steiger de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (Suiza) han anunciado el intento más ambicioso hasta la fecha.

Los investigadores han empleado el quinto superordenador más potente del mundo para simular el comportamiento de un ordenador cuántico de 45 qubits. "Por lo que nos consta, esto constituye un nuevo récord del número máximo de qubits simulados", afirman Haner y Steiger. Y demuestran cómo podrían ser posibles simulaciones más potentes.

Estas simulaciones son difíciles debido a la magnitud de los cálculos que permiten los ordenadores cuánticos. Esta gran potencia nace del fenómeno cuántico de la superposición, el cual permite que las partículas cuánticas, como los fotones, existan en más de un estado al mismo tiempo.

Por ejemplo, un fotón con una polarización horizontal puede representar un 0 y un fotón con una polarización vertical puede representar un 1. Pero cuando un fotón existe como una superposición de polarizaciones tanto horizontales como verticales al mismo tiempo, puede representar un 0 y también un 1 dentro de un cálculo.

De esta manera, dos fotones pueden representar cuatro números, tres fotones pueden representar ocho números, y así sucesivamente. Así es cómo consiguen los ordenadores cuánticos su potencia, la razón por la que los ordenadores convencionales palidecen a su lado.

Por ejemplo, tan solo 50 fotones pueden representar 10.000.000.000.000.000 números. Un ordenador clásico requeriría una memoria a escala petabyte para almacenar tantos números.

Procesar estos números con un ordenador clásico representa una tarea aún más grande porque la mayoría de los superordenadores están compuestos de muchas unidades de procesamiento conectadas dentro de una gran red de computación. Como resultado, gestionar el flujo de datos entre estos nodos conlleva una gran carga computacional.

Este desafío ha mantenido el tamaño de las simulaciones muy por debajo del límite de la supremacía cuántica. El récord mundial actual es una simulación de 42 qubits, un trabajo realizado con el superordenador Julich en 2010. Desde entonces, se han logrado pocos avances debido a los problemas que implica esta exigencia computacional.

Ahora, eso ha cambiado gracias al trabajo de Haner y Steiger. Su avance consiste en encontrar maneras de reducir esa exigencia de forma que la simulación pueda ejecutarse más de una orden de magnitud más rápido que antes. Los investigadores han aplicado estas mejoras a una serie de simulaciones realizadas con el superordenador Cori II del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California (EEUU). Este dispositivo consta de 9.304 nodos, cada uno con un procesador Intel Xeon Phi 7250 de 68 núcleos a 1,4 gigahercios. Esto da paso a un rendimiento máximo de 29,1 petaflops con un petabyte de memoria.

El Cori II, que recibió su nombre en honor a Gery Cori, la primera mujer en recibir el Premio Nobel de Medicina, es el quinto superordenador más potente del planeta. Así que no le falta potencia computacional.

Haner y  Steiger emplearon este dispositivo para simular la manera en la que un ordenador cuántico ejecutaría los cálculos con el uso de 30, 36, 42 y 45 qubits. Para la simulación más grande, utilizaron 0,5 petabytes de memoria y 8.192 nodos para lograr un rendimiento de 0,428 petaflops.

Es significativamente menos de lo que es capaz la máquina, incluso con las aceleraciones que ha diseñado el equipo. Atribuyen esta pérdida de rendimiento a la estructura de comunicación, la cual representa todavía el 75% del tiempo de computación total.

Haner y Steiger compararon los resultados con simulaciones de ordenadores de 30 y 36 qubits ejecutadas desde un superordenador menos potente llamado Edison, también del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Los investigadores comprobaron que su planteamiento también aceleró estos cálculos. "Esto indica que las aceleraciones logradas no fueron simplemente una consecuencia del hardware de nueva generación [de Cori II]", afirman Haner y Steiger.

Dicen que esta mejora sugiere que la simulación de un ordenador de 49 qubits debería ser posible en un futuro próximo.

Es un trabajo interesante que allana el camino para futuros ordenadores cuánticos. Los datos procedentes de este trabajo jugarán un papel importante en garantizar que los físicos confíen en los cálculos cuánticos cuando por fin se logre la supremacía cuántica. Y ese día seguramente no se hará esperar demasiado.

Ref: arxiv.org/abs/1704.01127 : 0.5 Petabyte Simulation of a 45-Qubit Quantum Circuit