Supremacía cuántica. ¿Está tu nuevo PC Gaming obsoleto?

El siguiente nivel de la computación, un cambio de paradigma en el mundo del procesamiento digital.

por Óscar Pérez benito

Creo que antes de nada debo dar las gracias a Sheldon Cooper por poder mencionar física cuántica sin que la gente me mire raro… o no mucho, al menos.

Y respondiendo a la pregunta: pues aún no, la física cuántica no va a hacer que ganes al Fortnite, de momento. Antes de eso hay muchos pasos que caminar, pero si echamos un poco la vista al pasado, hace 20 años ¿Quién tenía un ordenador en su casa? Y es que 20 años en la evolución de la tecnología es una barbaridad y hay mucha gente trabajando en utilizar esas palabrejas “física cuántica” para solventar un problema que tenemos cada vez más cerca, el límite del procesamiento digital tal y como los conocemos. 

Cada vez es más difícil hacer procesadores más rápidos, así que los fabricantes optan por meter más y más músculo (núcleos en este caso) en vez de hacerlos mejores. Siempre que una cierta tarea se pueda dividir, eso funciona muy bien, pero… si hay que hacer tareas iterativas, ¿qué hacemos? Imaginemos una cocina, puede haber 50 cocineros o cocineras, y cada uno puede cortar un ingrediente y avanzar trabajo por separado. Es un proceso que se puede dividir (o paralelizar si hablamos de un procesador) y que cada cocinero (núcleo) se encargue de una tarea. Pero a la hora de meternos a los fogones, primero hay que sacar la sartén, luego se calienta el aceite, después se fríen las verduras, y después se echa la carne. No se puede repartir tareas, va una detrás de otra y no hay manera de acelerarlo. 

Justo aquí entra la cuántica y, por desgracia, tengo que dejar la cocina un poco de lado y meterme a algo un poco más turbio, intentaré no hacerlo mucho. Un ordenador trabaja en binario, es decir, 0 y 1, y para este ejemplo voy a usar la puerta lógica AND entre dos valores un 1 y un 0. Si hacemos todas las operaciones posibles con un 1 y un 0 obtenemos 4 resultados, lo que nos ocuparía 4 espacios de memoria, es decir 4 bits en un ordenador usual.

Si ahora nos movemos a la física cuántica pasamos de tener bits a tener qubits (quantum bits) donde, por extraño que suene, se usa el mismo espacio de memoria para todos los resultados, esta es la magia de la cuántica. 

¿Quién no ha oído hablar del gato de Schrödinger? Precisamente es de esto de lo que te hablo, hasta que no se abra la caja, el gato está tanto vivo como muerto, y la acción de abrir la caja donde se encuentra el gato es la que define su estado. Lo mismo ocurre con estas operaciones cuánticas, el resultado no es un 1 o un 0, sino una combinación (o dicho en esta jerga, superposición) de ambos, y su posterior uso es el que define si es un 0 o un 1. 

Esto es bastante raro, lo sé, y es que cuanto más pequeñas son las cosas con las que tratamos (átomos, electrones y este tipo de partículas) las cosas dejan de comportarse como esperamos. 

Aún así, es en este concepto en el que se basan los procesadores cuánticos, que sí, ya existen. Pero, como todo en sus inicios, todavía no es algo maduro que pueda implementarse en ordenadores domésticos ni nada parecido. Sin embargo, hoy en día se hacen procesadores de este tipo (obviamente con algo más de tecnología detrás) que tienen una capacidad de en torno a 50 qubits. Concretamente, voy a hablar de Sycamore, un procesador recientemente desarrollado que cuenta con 53 qubits. Igual es un número que parece muy pequeño, pero esto es suficiente para hacer simulaciones que involucran 253 posibles combinaciones, o puesto con otros números que igual resultan más ilustrativos, 1016

Un dato curioso es que, en este caso particular, el procesador estaba diseñado para tener 54 qubits, pero uno no funciona. Este hecho pone de manifiesto en la temprana fase que se encuentra este tipo de tecnología, pero con increíble proyección. Es más, quizás para alguien que no esté acostumbrado a trabajar con simulaciones, el valor de 1016 posibles combinaciones puede parecer un dato que no aporta ninguna información, pero y si te digo que en un ordenador… bueno, ordenador… en un superordenador de 100.000 núcleos ese proceso tardaría unos 10.000 años, mientras que Sycamore tardaría entre 2 y 3 minutos, ¿estos números dicen algo más?

Este punto es lo que se llama supremacía cuántica, la capacidad de un procesador cuántico de ejecutar algo que no sería viable en un ordenador convencional ya que estaremos de acuerdo en que 10.000 años de computación no es algo asumible. Sí, es cierto que la comparación no está hecha de manera real, no ha habido un ordenador computando durante 10.000 años, estas comparaciones se hacen con benchmarks (un benchmark es una prueba a la que se someten dispositivos para medir el rendimiento) sintéticos haciendo ciertas simplificaciones, pero no por ello dejan de ser válidas.

Estos resultados se consiguen de manera puntual para un cierto “problema a resolver”. No es algo genérico, no puedes instalar Windows y navegar por internet, pero abre las puertas a un gran cambio de paradigma en el mundo de la computación, donde algo tan simple conceptualmente hablando como es la multiplicación de dos números primos aleatorios es la base de muchos métodos de encriptación de información, hoy en día es imposible desencriptar con un ordenador normal. Sería demasiado costoso, ya que la única manera es ir probando uno a uno desde el más bajo al más alto (¿recuerdas lo de los procesos iterativos?) mientras que para un procesamiento cuántico… quizá no es tan complicado.

Los ordenadores cuánticos no están enfocados a nada doméstico, no vas a poder ir a la mina en el Minecraft gracias al gato de Schrödinger, pero tienen mucho, MUCHO que aportarnos.

Referencia

Arute, F., Arya, K., Babbush, R. et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature 574, 505–510 (2019).
doi: 10.1038/s41586-019-1666-5

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