Un grupo de investigadores desarrolla una fórmula para ejecutar computación cuántica con sistemas convencionales

Aún no se dispone de un ordenador cuántico funcional al 100%, aunque cada vez se está más cerca. Sin embargo, el potencial de la computación fundamentada en esta física, capaz de desentrañar la materia oscura microbiana (material genético de microorganismos aún por desvelar), descubrir nuevas moléculas medicinales, identificar cada ladrillo de un genoma u optimizar un complejo proceso financiero o industrial, urge el hallazgo de atajos. Investigadores de BBVA, que mantiene un equipo especializado en esta disciplina con participación pública y privada, han logrado una simulación cuántica distribuida con servidores clásicos y programación de código abierto, replicable por cualquier institución sin necesidad de un superordenador o un delicado computador basado en las características exóticas del mundo subatómico. Es decir, una forma de hacer computación cuántica con tecnología actual, disponible y al alcance de cualquiera.

El mundo físico que percibimos es un trampantojo, las sombras de la caverna de Platón llevadas al extremo. Si fuéramos capaces de jibarizarnos hasta un tamaño subatómico, percibiríamos una dimensión donde se puede estar en dos estados a la vez (superposición), hay teletransportación, se conduce la energía sin pérdidas (superconductividad), hay flujos sin fricción (superfluidez) y una extraña coreografía marca la interacción de las partículas (orden topológico).

Desentrañar todo ese universo permitiría responder a preguntas tan básicas como qué somos y de dónde venimos, pero también aprovechar sus características para aplicaciones prácticas como la computación cuántica, con capacidades imposibles de alcanzar por la informática clásica. Al ordenador que permita la ejecución de algoritmos cuánticos sin errores aún le queda una década, según las previsiones más optimistas. Sus principales desafíos son el ruido (una simple microonda o una alteración de la temperatura puede arruinar el proceso) y el tiempo de coherencia, los microsegundos durante los que se mantiene la superposición de estados que incrementa de forma exponencial la capacidad de computación.

Sin embargo, hay un atajo y es el hallazgo conseguido por los investigadores de BBVA. “Hemos conseguido hacer la simulación de la ejecución de algoritmos cuánticos usando máquinas clásicas, escalando hasta una potencia de cálculo total de 38 cúbits [bits cuánticos] y con el resultado esperado en un computador ideal cuántico”, resume Javier Recuenco, responsable del área de Innovación de Arquitectura Técnica de BBVA CIB.

“Al hacer simulación con computadores clásicos, hemos evitado el problema de tiempo de coherencia y el ruido. Ya puedo estar ejecutando horas y horas la simulación”, explica para añadir otro elemento fundamental: “El algoritmo va creciendo con el número de cúbits y necesito más potencia. Todo eso se tiene que distribuir en memoria y necesitamos mucha para que esto funcione. Usar un simulador cuántico distribuido se vuelve necesario”.

El nuevo sistema no aspira a superar las capacidades de un ordenador cuántico completamente tolerante a fallos, cuanto este sea una realidad, pero sí a aprovechar las ventajas de la computación cuántica con las herramientas disponibles ahora, a pesar de las limitaciones. “Tiene un coste muy alto”, admite Recuenco en referencia a los recursos empleados para la prueba de concepto, la demostración del método propuesto en la nube, que en esta ocasión ha sido posible con la participación de Amazon Web Service y la compañía de transformación tecnológica VASS. Se han quedado en 38 cúbits, pero creen que es escalable.

Una computadora clásica con 38 bits solo podría representar ese mismo número de estados diferentes. Sin embargo, la misma cantidad de cúbits puede representar y manipular simultáneamente 2³⁸ gracias a la propiedad de superposición, que permite a un cúbit estar en un estado 0, en un estado 1 o en cualquier combinación de ambos al mismo tiempo. Por lo tanto, una computación cuántica de 38 cúbits puede representar aproximadamente 274.000 millones de estados diferentes al mismo tiempo.

La simulación cuántica distribuida tiene una primera aplicación en optimización de carteras, en cálculo de riesgos y en hallar el camino más corto en grafos, un problema clásico que busca la vía óptima entre vértices o nodos. “Pero puede ser aplicable en cualquier ámbito. A las universidades les debe interesar mucho y a la industria química o farmacéutica. O para encontrar nuevos componentes de las baterías”, explica el investigador.

Una de sus grandes ventajas es que no precisa de un superordenador ni de un entramado de dispositivos cuánticos. Según explica Diego García Vaquero, director de arquitecturas y coinvestigador del sistema, comenzaron con dispositivos de solo ocho gigas de memoria RAM y llegaron a un máximo de un terabite. Basta con una red convencional ya existente en la nube. “Y con código abierto”, precisa. Esta premisa es básica para facilitar el uso de la simulación desarrollada, que se publicará en un documento técnico detallado para que sea replicable, según anuncian los investigadores.

Otra ventaja de la simulación conseguida es que, al no depender de sistemas inestables, se puede ejecutar por fases y establecer lo que Recuenco califica de “banderas o puntos intermedios de control” en el proceso para ver cómo progresa el algoritmo, así como entrelazar los cúbits sin las limitaciones topológicas que presentan los computadores cuánticos reales.

200 veces más veloz

Esta línea de investigación de la simulación cuántica la desarrollan compañías como Fujitsu, que complementa estos desarrollos con los mayores superordenadores del mundo y con computadores cuánticos. El pasado febrero, la compañía anunció el desarrollo de una novedosa técnica de simulación, también basada en la distribución, que acelera los algoritmos híbridos (cuántico-clásicos) y alcanza una velocidad de cálculo 200 veces superior a la de simulaciones anteriores.

En el caso de los cálculos de circuitos cuánticos mediante algoritmos híbridos, los problemas a mayor escala requieren muchos cúbits y días de procesamiento. Las simulaciones en los campos de los materiales y el descubrimiento de fármacos pueden requerir incluso varios cientos de días.

La tecnología de Fujitsu permite procesar simultáneamente un gran número de cálculos de circuitos cuánticos ejecutados repetidamente y distribuidos entre varios grupos. Fujitsu también ha ideado una forma de simplificar problemas a gran escala con menor pérdida de precisión utilizando uno de los simuladores cuánticos. En un solo día se ejecutan cálculos que con los métodos convencionales tardarían más de medio año. Fujitsu cree que estos modelos aceleran la investigación sobre la aplicación práctica en diversos campos y en ordenadores cuánticos reales.

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