Cuáles son los límites de la computación cuántica y cuales los de los computadores clásicos

Un software cuántico ha sido ejecutado en un computador convencional – EPFL

Dos físicos han sido capaces de ejecutar un software cuántico en un computador convencional, por lo que se abre la pregunta de si los equipos cuánticos serán una tecnología tan disruptiva como dice la teoría

La teoría dice que existen problemas y tareas que solo podrán ser resueltos por ordenadores cuánticos, siendo inalcanzables por los equipos clásicos. Ni siquiera el mejor superordenador podría dar con la respuesta. Sin embargo, en la práctica, se ha creado una interesante de ‘carrera’ entre ambos tipos de tecnología por alcanzar sus propios límites e incluso sobrepasar los del ‘rival’. La última ‘batalla’ la acaban de escribir dos físicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) y de la Universidad de Columbia, quienes han introducido un nuevo enfoque para simular un algoritmo cuántico utilizando un ordenador tradicional. Los resultados se acaban de publicar en la revista ‘ Nature Quantum Information‘.

Los autores, Giuseppe Carleo y Matija Medvidovic, han encontrado una manera de ejecutar un algoritmo complejo de computación cuántica en computadoras tradicionales en lugar de en computadoras cuánticas. Es decir, que un ordenador clásico imita una de las tareas que, en teoría, solo podría hacer un ordenador cuántico.

El ‘software cuántico’ específico que han recreado se conoce como algoritmo de optimización aproximada cuántica (QAOA) y se utiliza para resolver problemas de optimización clásicos en matemáticas; es esencialmente una forma de elegir la mejor solución a un problema entre un conjunto de posibles soluciones. «Hay mucho interés en comprender qué problemas pueden resolverse de manera eficiente con una computadora cuántica, y QAOA es uno de los candidatos más destacados», afirma Carleo.

En última instancia, QAOA está destinado a ayudar en el camino hacia la famosa ‘aceleración cuántica’, el aumento previsto en la velocidad de procesamiento que podemos lograr con las computadoras cuánticas en lugar de las convencionales.

El comunicado recoge que es comprensible que el aproximamiento cuántico tenga potentes defensores, incluido Google, que lleva tiempo con la mira puesta en este tipo de tecnología y en conseguir un ordenador cuántico funcional. «Pero la barrera de la ‘aceleración cuántica’ es casi rígida y está siendo remodelada continuamente por nuevas investigaciones, también gracias al progreso en el desarrollo de algoritmos clásicos más eficientes», dice Carleo.

En su estudio, los autores abordan una pregunta clave abierta en el campo: ¿pueden los algoritmos que se ejecutan en ordenadores cuánticos actuales y de corto plazo ofrecer una ventaja significativa sobre los algoritmos clásicos para tareas de interés práctico? «Si vamos a responder a esa pregunta, primero debemos comprender los límites de la computación clásica en la simulación de sistemas cuánticos», apunta Carleo. Esto es especialmente importante ya que la generación actual de procesadores cuánticos opera en un régimen en el que cometen errores al ejecutar ‘software’ cuántico y, por lo tanto, solo pueden ejecutar algoritmos de complejidad limitada.

Usando computadoras convencionales, los dos investigadores desarrollaron un método que puede simular aproximadamente el comportamiento de una clase especial de algoritmos conocidos como algoritmos cuánticos variacionales, que son formas de calcular el estado de energía más bajo o ‘estado fundamental’ de un sistema cuántico. QAOA es un ejemplo importante de esta familia de algoritmos cuánticos, que los investigadores creen que se encuentran entre los candidatos más prometedores para la ‘ventaja cuántica’ (también conocida como ‘ supremacía cuántica’) en las computadoras cuánticas a corto plazo.

El enfoque se basa en la idea de que las herramientas modernas de aprendizaje automático; por ejemplo, los que se usan para aprender juegos complejos como Go, también se pueden usar para aprender y emular el funcionamiento interno de una computadora cuántica. La herramienta clave para estas simulaciones son Neural Network Quantum States, una red neuronal artificial que Carleo desarrolló en 2016 con Matthias Troyer, y que ahora se utilizó por primera vez para simular QAOA. Los resultados se consideran competencia de la computación cuántica y establecen un nuevo punto de referencia para el desarrollo futuro del hardware cuántico.

«Nuestro trabajo muestra que el QAOA que se puede ejecutar en ordenadores cuánticos actuales, pero, a corto plazo, se puede simular, con buena precisión, también en una computadora clásica -índice Carleo-. Sin embargo, esto no significa que todos los algoritmos cuánticos útiles que se pueden ejecutar en procesadores cuánticos a corto plazo puedan emularse de manera clásica. De hecho, esperamos que nuestro enfoque sirva como guía para diseñar nuevos algoritmos cuánticos que sean útiles y difíciles de simular para computadoras clásicas».