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Computación

La computación cuántica logra su propio 'Google' 20 años después de su propuesta teórica

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Han hecho falta dos décadas para conseguir aplicar el algoritmo cuántico de búsqueda que Lov Grover planteó en 1996. Este tipo de algoritmos podrían cambiar, acelerar y abordar nuevas tareas computacionales

  • por Emerging Technology From The Arxiv | traducido por Teresa Woods
  • 24 Abril, 2017

Allá por 1996, un informático de Bell Labs llamado Lov Grover (EEUU) presentó un inusual algoritmo para buscar dentro de una base de datos. Los algoritmos de búsqueda se incluyen entre los más importantes dentro de la informática. Permiten tareas mundanas como rastrear guías telefónicas pero también labores más exóticas como descifrar códigos criptográficos. Este tipo de algoritmo es onmipresente dentro de la informática.

Por tanto, cualquier manera de acelerar esta tarea resulta enormemente importante. Una búsqueda estándar requiere un tiempo aproximadamente proporcional al número de elementos de la búsqueda, ya que en el peor escenario el algoritmo deberá recorrer todos los elementos para encontrar tan sólo uno.

Pero el algoritmo de Grover es distinto. El tiempo que tarda es proporcional a la raíz cuadrada del número de elementos. Los informáticos lo denominan aceleración cuadrática. Y en un mundo en el que cualquier aumento de velocidad, por pequeño que sea, resulta tremendamente útil, la aceleración cuadrática representa un imponente logro.

El truco de Grover emplea las extrañas pero potentes ideas de la mecánica cuántica. En el mundo clásico, los bits son tan solo ceros y unos. Pero el en mundo cuántico, un único bit cuántico, o cúbit, puede ser un cero y un uno al mismo tiempo. Los físicos afirman que el cúbit se encuentra en una superposición de estados.

Esta superposición es la clave. En este estado, un algoritmo puede buscar el cero y el uno al mismo tiempo. Y dado que puede buscar  más de un elemento a la vez, un algoritmo cuántico puede rastrear una lista mucho más rápido que un algoritmo limitado por el lento ritmo de la física clásica.

Los algoritmos cuánticos han de ser ejecutados por un ordenador cuántico, y en 1996, cuando Grover publicó su trabajo, estos aparatos no eran más que un sueño lejano. Pero el avance se produjo enseguida. Unos físicos presentaron el primer ordenador cuántico en 1998 y demostraron la ejecución del algoritmo de Grover ese mismo año.

Pero esta forma particular de computación cuántica tenía limitaciones importantes. Sólo podía trabajar con un puñado de cúbits y, en teoría, ni siquiera podía escalarse para abordar computaciones más grandes. Este problema para desarrollar y demostrar ordenadores cuánticos escalables ha sido el gran obstáculo de la disciplina desde entonces.

Ahora, unos 20 años más tarde, los físicos están empezando a desarrollar ordenadores cuánticos escalables y capaces de ejecutar cálculos mucho más potentes. Y hoy, la investigadora de la Universidad de Maryland (EEUU) Caroline Figgatt y unos compañeros afirman haber ejecutado el algoritmo de Grover en un ordenador cuántico escalable por primera vez.

El trabajo ofrece una rápida aceleración de los cálculos cuánticos y abre la puerta a trabajos más ambiciosos basados en el algoritmo que podrían empezar a abordar retos del mundo real como la decodificación.

El ordenador cuántico que empleó el equipo de Figgatt está compuesto por una serie de cinco iones de iterbio suspendidos en un campo electromagnético. Cada ion actúa como un diminuto imán que puede ser orientado hacia arriba o abajo y pasar de un estado a otro mediante un láser. De esta manera, cada ion puede almacenar datos: un uno para acelerarse y un cero para desacelerarse, por ejemplo. Y puesto que son objetos cuánticos, los iones pueden existir en una superposición de estos estados.

Los iones también interactúan entre sí mediante las fuerzas de repulsión asociadas con su carga positiva. Esta interacción permite que un cúbit interactúe con otro para procesar datos. Esta es la esencia de la computación cuántica. El orden de los pasos de esta computación es el algoritmo cuántico, en este caso, el algoritmo de Grover.

El equipo de Figgatt empleó su sistema para construir un ordenador cuántico de tres cúbits que puede almacenar hasta ocho entradas en una base de datos. Entonces ejecutaron el algoritmo de Grover para demostrar que es capaz de encontrar una entrada significativamente más rápido que un ordenador clásico, que requeriría al menos ocho bits. El equipo detalla: "Informamos de resultados de un algoritmo de Grover de tres cúbits que emplea la tecnología de computación cuántica escalable de iones atómicos atrapados con un rendimiento mejor que el clásico".

Es un trabajo interesante con mucho potencial. "Allana el camino para ampliar los usos del algoritmo de búsquedas de Grover para resolver problemas más grandes con ordenadores cuánticos, incluido el uso del circuito como una subrutina para otros algoritmos cuánticos", añaden los investigadores.  

Pero el trabajo también es un reflejo de la carrera por desarrollar potentes ordenadores cuánticos. El ganador probablemente cosechará enormes beneficios financieros, pero nadie está seguro todavía de qué tecnología es la mejor.

Este mundillo ha sido sacudido por una start-up canadiense, llamada D-Wave Systems, que ha vendido ordenadores cuánticos aparentemente potentes a empresas como Google y Lockheed Martin. Estos ordenadores se operan con 1.000 cúbits, mucho más que cualquier otra tecnología.  

Pero muchos expertos teóricos aseguran que las afirmaciones de D-Wave Systems son exageradas y que sus máquinas no pueden producir nada que se parezca al tipo de potencia computacional de la que otros ordenadores cuánticos deberían ser capaces. Por eso muchos grupos intentan comercializar otras tecnologías cuánticas que almacenan y procesan informaciones cuánticas de formas muy distintas. Dependen de fotones, electrones, átomos, iones y moléculas para hacer su voluntad cuántica.

De estas técnicas, una de las más antiguas y mejor desarrolladas es la computación cuántica de iones atrapados, un área en la que el grupo de la Universidad de Maryland es líder mundial. De hecho, el responsable del grupo, Chris Monroe, tiene una start-up llamada IonQ que intenta comercializar esta tecnología.

Así que la demostración de un ordenador cuántico escalable capaz de implementar el algoritmo de Grover, aunque sea con tan solo tres cúbits, puede interpretarse como una declaración de intenciones.

En 1998, después de la primera implementación del algoritmo de Grover, había un abanico de opiniones sobre cuánto tardarían los físicos en dar el próximo paso de ordenadores escalables. Se crearon varias start-ups con previsiones optimistas que acabaron derrumbándose. Pero, en ese momento, pensar en 20 años era el lado pesimista del espectro de predicciones. El hecho de que se haya tardado todo este tiempo es un reflejo de la dificultad de la tarea.

Controlar el universo a escala cuántica es difícil. Así que una interesante pregunta para los tecnólogos e inversores de capital riesgo es si el ritmo de los progresos tecnológicos podrá ser acelerado significativamente.

Computación

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