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El procesador cuántico de Google puede alcanzar la supremacía cuántica en meses

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Si bien dije hace varios meses que encontraríamos una manera de recuperar la Ley de Moore, no esperaba que sucediera así. En un nuevo informe en Revista Quanta por Kevin Hartnett, Hartmut Neven, el director del Laboratorio de Inteligencia Artificial Cuántica de Google, revela que el crecimiento de poder con cada nueva mejora del mejor procesador cuántico de Google es diferente a todo lo que se encuentra en la naturaleza. Está creciendo no solo a una tasa exponencial, como en la Ley de Moore, sino a una tasa doblemente exponencial, lo que significa que podemos estar a pocos meses del comienzo de la era práctica de la computación cuántica.

Hartmut Neven de Google nos dice que nos preparemos

El artículo de Hartnett debería ser una gran llamada de atención para el mundo. A medida que avanzamos con dificultad, pensando que mañana sería más o menos como hoy, parece que algo extraordinario está ocurriendo en los laboratorios de inteligencia artificial cuántica de Google en Santa Bárbara, California. En diciembre de 2018, Neven y su equipo comenzaron a realizar un cálculo sobre el mejor procesador cuántico de la compañía cuando comenzaron a ver algo increíble.

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"Fueron capaces de reproducir el cálculo [del procesador cuántico] utilizando una computadora portátil normal", escribe Hartnett. Luego, en enero, realizaron la misma prueba en una versión mejorada del chip cuántico. Esta vez tuvieron que usar una poderosa computadora de escritorio para simular el resultado. En febrero, ya no había computadoras clásicas en el edificio que pudieran simular sus contrapartes cuánticas Los investigadores tuvieron que solicitar tiempo en la enorme red de servidores de Google para hacer eso.

"En algún momento de febrero tuve que hacer llamadas para decir, 'Oye, necesitamos más cuota'", dijo Nevens a Hartnett. "Estábamos ejecutando trabajos compuestos por un millón de procesadores".

El procesador cuántico de alto rendimiento de Google estaba haciendo algo que no tiene paralelos obvios en la naturaleza. "El crecimiento doblemente exponencial", escribe Hartnett, "es tan singular que es difícil encontrar ejemplos de él en el mundo real. La tasa de progreso en la computación cuántica puede ser la primera".

La aceleración sin precedentes de las velocidades de la computación cuántica que Neven identificó por primera vez comenzó a ser llamada Ley de Neven por los investigadores de Google en una referencia no tan sutil a la Ley de Moore de la computación clásica, pero con una diferencia. Son de un tipo, pero lo que está sucediendo en Google no es simplemente el regreso de la Ley de Moore para la era cuántica; La ley de Neven nos muestra que podemos estar a punto de sumergirnos en un mundo completamente extraño en solo unos meses.

Por qué la ley de Moore sigue siendo importante incluso después de su desaparición

Durante la última década, los científicos e ingenieros informáticos han estado anticipando el final aparentemente abrupto del progreso. La Ley de Moore, una guía aproximada que dice que un transistor de silicio se puede reducir en tamaño aproximadamente a la mitad cada dos años, ha estado funcionalmente muerta por al menos un par de años.

Sin embargo, mientras vivió, fue capaz de meter más y más transistores en chips de varios tamaños, primero habilitando mainframes, luego servidores, luego computadoras personales y ahora dispositivos móviles. Cada dos años, cada nuevo dispositivo no era solo una mejora; Habría cambios tecnológicos revolucionarios hasta dos o tres veces en una sola década.

La duplicación de la potencia de procesamiento en cada generación de chips de computadora cada dos años y la consecuencia de esa tasa de crecimiento es el salto que se da al pasar de las computadoras de tarjetas perforadas que calculan las trayectorias de vuelo de los astronautas del Apolo que se dirigen a la luna hasta el nacimiento y maduración del planeta. Internet, computadoras ultrarrápidas en nuestros bolsillos y redes neuronales que pueden ejecutar toda la infraestructura de servicio civil de las ciudades de China en menos de 50 años.

El salto tecnológico que hizo la humanidad con el transistor de silicio fue la mayor innovación en la historia de la humanidad. Ningún otro descubrimiento o invento, ni siquiera el fuego, ha transformado tanto, tan rápido en nuestra experiencia humana, y hemos sabido durante al menos una década que este ritmo de cambio no podría continuar para siempre. A medida que los transistores se reducen a solo siete nanómetros de largo, los ingenieros luchan por mantener una carga eléctrica fluyendo en canales cuyas paredes tienen solo átomos de espesor.

Si hace que el transistor sea más pequeño, la corriente eléctrica que impulsa los cálculos y la lógica del procesador simplemente salta el canal o se escapa del componente después de que los átomos destinados a contener el flujo de electrones se interrumpen con el tiempo.

A medida que más transistores comienzan a fallar y filtran sus electrones a otros componentes, estos también se desgastan más rápido y experimentan tasas de error más altas, lo que inhibe el rendimiento del procesador en su conjunto hasta que todo se convierte en un tamiz de electrones inútil y con fugas.

Dado que los ingenieros no pueden estabilizar los componentes del procesador si son más pequeños, el chip de silicio ha alcanzado su límite físico, lo que pone fin a la Ley de Moore y con ello la expectativa de que dentro de dos años las computadoras serán dos veces más rápidas que ellas. hoy.

No nos gusta esto en absoluto, por decir lo menos. Podemos ver el potencial tecnológico aumentando en el horizonte; acercarnos tanto y estar restringidos por las leyes físicas es el tipo de cosas que nos impulsaron a innovar en primer lugar.

Entonces, ¿qué haces si no puedes hacer una computadora más rápida usando escalas atómicas? Los científicos e ingenieros dieron inevitablemente el siguiente paso y buscaron algo más pequeño que el átomo como respuesta, a la mecánica cuántica.

El mundo cuántico

El mundo cuántico, sin embargo, no se parece en nada al mundo clásico. Las partículas subatómicas exóticas se comportan de formas difíciles de aceptar. Pueden atravesar las leyes fundamentales de la física sin perder un paso, como lo hace el entrelazamiento cuántico cuando las partículas emparejadas se comunican instantáneamente entre sí incluso si están en lados opuestos del universo.

El propio Schroedinger, uno de los principales descubridores de la mecánica cuántica, propuso su famoso experimento mental sobre un gato en una caja que está vivo y muerto al mismo tiempo para demostrar cuán absolutamente absurdas se estaban volviendo sus teorías. No podía creer que fuera exactamente como parecía.

Tan enloquecedor como fue, el hecho inevitable es que el gato de Schroedinger está vivo y muerto al mismo tiempo y permanecerá así hasta que un observador abra la caja para verificarlo; ese es el momento en que el universo tiene que decidir, de manera puramente aleatoria, cuál es realmente el estado final del gato.

Esta superposición del gato de Schroedinger no solo ha sido probada en la práctica, sino que la superposición de partículas es también de donde proviene el poder de una computadora cuántica.

Al operar sobre una partícula en superposición, llamada bit cuánticoo qubit- se pueden contener muchísimos más datos en la memoria cuántica con muchos menos bits que en las computadoras clásicas, y las operaciones en un qubit aplicar para todos los valores posibles ese qubit asume. Cuando estos qubits están emparejados con otros interdependientes qubits- puede realizar operaciones lógicas mucho más complicadas en mucho menos tiempo.

Este potencial para una velocidad de procesamiento drásticamente mejorada sobre los procesadores clásicos es lo que está impulsando gran parte del entusiasmo en torno a la computación cuántica en este momento. Es nuestra forma de mantener el ritmo actual de progreso, ya no confinado al borde del agua al final de la Ley de Moore.

Cómo se garantiza que la computación cuántica invertirá nuestra tecnología

Entonces, ¿qué tan poderosa es exactamente la computación cuántica? ¿En qué se traduce esta velocidad, en términos reales? Durante un tiempo, la respuesta fue nada. En realidad, era una idea ridícula que nadie se tomaba en serio.

Propuesta de diversas formas a lo largo de los años en artículos académicos desde la década de 1970, apareció de vez en cuando, pero no solo era imposible imaginar un sistema así en la práctica; tal máquina no tendría ningún propósito real para justificar ni siquiera invertir dinero para investigarla. Luego, en 1994, el matemático Peter Shor publicó un artículo que lo cambió todo.

Shor creó un algoritmo que resolvió un problema matemático brutalmente intratable que es la base de la criptografía RSA moderna, el problema de la factorización prima de números enteros. La factorización prima de un entero de varios miles de dígitos no es algo que una computadora clásica pueda hacer de manera eficiente, sin importar cuántos procesadores le pongas; los algoritmos necesarios no se conocen o no existen.

A pesar de que las computadoras modernas se volvieron más poderosas y pudieron usar la potencia de procesamiento en bruto para descifrar claves de cifrado de 256 bits, 512 bits e incluso más altas, todo lo que se necesitaría hacer es multiplicar el número de bits utilizado para su clave por dos y su nuevo esquema fue literalmente exponencialmente más fuerte que el que acaba de ser resuelto.

Una computadora clásica no mejora exponencialmente para resolver estos problemas a medida que aumentan los números involucrados. Esta limitación, conocida como complejidad del tiempo, eventualmente puso algunas cosas más allá de la capacidad de las computadoras clásicas para resolverlas realmente. El alargamiento de las claves de cifrado RSA puede comenzar muy rápidamente a agregar millones, miles de millones e incluso billones de años al tiempo necesario para descifrar la clave de cifrado utilizando una computadora clásica.

Lo que Shor mostró fue que el uso de la superposición de qubits le permitiría resolver el problema de factorización significativamente más rápido. Todavía puede llevar mucho tiempo romper el cifrado RSA más difícil, pero un problema de un billón de billones de años se convirtió en un problema de 2 a 5 años con una computadora cuántica, y solamente con una computadora cuántica.

Si la ley de Neven se confirma, la computación cuántica estará aquí en menos de un año

La gente finalmente se dio cuenta después de que Shor publicó su artículo y se dio cuenta de que esto era algo completamente diferente a la computación clásica, y potencialmente órdenes de magnitud más poderosas.

La gente comenzó a ver el potencial, pero en los más de 20 años desde que apareció por primera vez el algoritmo de Shor, ejecutar ese algoritmo y tal vez algunos otros algoritmos cuánticos publicados en los años posteriores siguen siendo la única razón por la que necesitaríamos una computadora cuántica en la primera. sitio. Se nos ha dicho que cambiará todo, y hemos esperado como muy, muy poco parece estar sucediendo en la realidad.

Incluso muchos profesionales de la informática, incluidos los doctores y los veteranos de la industria que conocen la ciencia detrás de todo esto, han expresado su escepticismo de que la computación cuántica cumplirá su promesa, a veces increíble. Sin embargo, eso puede estar cambiando después de que Neven se hiciera público en mayo sobre el increíble crecimiento de los procesadores cuánticos de Google en el Simposio Quantum Spring de Google y presentó al mundo la "Ley" que lleva su nombre.

Reveló que lo que él y el resto del equipo de computación cuántica de Google estaban viendo era el crecimiento "doblemente exponencial" de la potencia de la computación cuántica en relación con la computación clásica: "parece que no pasa nada, no pasa nada, y luego, de repente, Estás en un mundo diferente ", dijo. "Eso es lo que estamos experimentando aquí".

¿Qué significa realmente el crecimiento doblemente exponencial?

Según Neven, hay dos factores que se combinan para producir esta increíble tasa de crecimiento que Google está viendo en sus chips de computadora cuántica.

La primera es simplemente la ventaja exponencial natural que tiene la computación cuántica sobre una computadora clásica. Donde los bits clásicos solo pueden estar en un estado en un momento dado, 1 o 0, un qubit en superposición es 1 y 0. Esto significa que un qubit se vuelve exponencialmente más eficiente en términos de representar y procesar datos para cada qubit adicional agregado. Para cualquier número de qubits norte en un procesador cuántico, hacen el mismo trabajo o contienen la misma cantidad de datos que 2norte bits clásicos. 2 qubits es igual a 4 bits, 4 qubits es igual a 16 bits, 16 qubits es igual a 65, 536 bits, y así.

El segundo está más directamente relacionado con las mejoras que Google está realizando en sus procesadores cuánticos. Según Neven, Google está viendo cómo sus mejores procesadores cuánticos mejoran a un ritmo exponencial, algo que IBM también ha visto con su IBM Q System One. Tomados en conjunto, dice Neven, terminan con una tasa de crecimiento doblemente exponencial de la computación cuántica en relación con la computación clásica.

¿Cómo es el crecimiento doblemente exponencial? La función clásica de crecimiento exponencial cuando se trata de bits es obviamente duplicar, una función definida como 2norte en sistemas binarios. ¿Cómo doblas el doble? Simplemente reemplace el norte en la función de duplicación con otra función de duplicación, o 22norte.

Dado que la ley de Moore es una función de duplicación, podemos representar la ley de Moore de esta manera, donde norte representa un intervalo de dos años:

n Potencia informática clásica (2norte)
* 1 2

* 2 4
* 3 8
* 4 16
* 5 32
* 6 64
* 7 128
* 8 256
* 9 512
* 10 1024

Entonces que hace Ley de Neven ¿parece? Se vería algo así, donde norte equivale a cada nueva mejora del procesador cuántico de Google:

n 2norte 2(2norte) Potencia de computación cuántica relativa a la potencia de computación clásica

* 1 2 2 4
* 2 4 24 16
* 3 8 28 256
* 4 16 216 65,536
* 5 32 232 4,294,967,296
* 6 64 264 18,446,744,073,709,551,616
* 7 128 2128 3.4028236692093846346337460743177e + 38
* 8 256 2256 1.1579208923731619542357098500869e + 77
* 9 512 2512 1.3407807929942597099574024998206e + 154
* 10 1024 21024 1.797693134862315907729305190789e + 308

Después de que la lista vaya arriba 6, los números comienzan a volverse tan grandes y abstractos que pierde la sensación de la brecha entre dónde está Google y dónde estará en el siguiente paso.

En el caso de la Ley de Moore, comenzó en el 1970 como duplicar cada año, antes de ser revisado hasta aproximadamente cada dos años. Según Neven, Google está aumentando exponencialmente la potencia de sus procesadores en un mensual a semestral. Si Diciembre de 2018 es el 1 En esta lista, cuando Neven comenzó sus cálculos por primera vez, ya estamos entre 5 y 7.

En Diciembre de 2019, sólo seis meses a partir de ahora, la potencia del procesador de computación cuántica de Google podría estar en cualquier lugar de 24096 veces para 28192 veces tan poderoso como lo fue a principios de año. Según el relato de Neven, para febrero, solo tres meses después de que comenzaron sus pruebas, así que 3 en nuestra lista--, habíaya no hay computadoras clásicas en el edificio que podría recrear los resultados de los cálculos de la computadora cuántica de Google, que una computadora portátil había estado haciendo justo dos meses más temprano.

Neven dijo que, como resultado, Google se está preparando para alcanzar supremacía cuántica--el punto en el que las computadoras cuánticas comienzan a superar a las supercomputadoras que simulan algoritmos cuánticos-- en solo una cuestión de mesesno años: "A menudo decimos que creemos que lo lograremos en 2019. La escritura está en la pared".

El escepticismo está justificado, hasta cierto punto

Es importante enfatizar que este crecimiento en el poder es relativo al poder de una computadora clásica, no una medida absoluta, y que el punto de partida para la computación cuántica no hace mucho tiempo sería comparable al UNIVAC computadoras de la era del tubo de vacío de la 1940 y 1950.

Gran parte del núcleo teórico-informático de la computación cuántica todavía se está escribiendo y debatiendo, y hay quienes tienen sus dudas sobre si realmente se está produciendo un crecimiento "doblemente exponencial" en relación con la computación clásica.

Después de todo, es posible que se acabe la ley de Moore, pero la computación clásica no ha muerto, continúa mejorando hasta el día de hoy y seguirá haciéndolo a medida que se desarrollen nuevos algoritmos que mejoren la eficiencia de las computadoras clásicas.

Aún así, otros dicen que no es suficiente simplemente minimizar o disputar el rápido progreso que afirma Google para sus procesadores cuánticos. IBM puede ser más modesto en sus predicciones sobre la supremacía cuántica, pero confía en que podrá lograrlo en unos tres años. Hace cinco años, muchos pensaron que no veríamos una computadora cuántica hasta 2025 o incluso hasta 2030 y más allá.

Ahora, parece que incluso podemos ver el verdadero negocio para Navidad, y no hay razón para pensar que el poder de las computadoras cuánticas no continuará aumentando aún más una vez que Google o IBM o incluso alguien más logre la realidad. supremacía cuántica.


Ver el vídeo: Google alcanzó la supremacía cuántica? Cuándo tendrás un ordenador cuántico (Mayo 2022).