Las nuevas computadoras cuánticas de referencia deben vencer para lograr la supremacía cuántica

Investigación de IBM; OLCF en ORNL | Flickr

Dos veces al año, el proyecto TOP500 publica una clasificación de las computadoras más poderosas del mundo. La lista es muy esperada y tiene una gran influencia. Las superpotencias mundiales compiten para dominar las clasificaciones y, en el momento de escribir este artículo, China ocupa el lugar más importante, con 229 dispositivos en la lista.

Estados Unidos tiene solo 121, pero esto incluye la más poderosa del mundo: la supercomputadora Summit en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee, que registró 143 petaflops (143 mil millones de millones de operaciones de punto flotante por segundo).

La clasificación está determinada por un programa de evaluación comparativa llamado Linpack, que es una colección de subrutinas de Fortran que resuelven un rango de ecuaciones lineales. El tiempo necesario para resolver las ecuaciones es una medida de la velocidad de la computadora.

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No hay escasez de controversia sobre esta elección de punto de referencia. Las arquitecturas informáticas suelen estar optimizadas para resolver problemas específicos, y muchos de estos son muy diferentes del desafío Linpack. Las computadoras cuánticas, por ejemplo, son completamente inadecuadas para resolver este tipo de problemas.

Y eso plantea una pregunta importante. Las computadoras cuánticas están a punto de superar a las supercomputadoras más poderosas para ciertos tipos de problemas, pero ¿qué tan poderosas son exactamente? Lo que está en juego es la cuestión de cómo medir su desempeño y compararlo con el de las computadoras clásicas.

Hoy recibimos una respuesta gracias al trabajo de Benjamin Villalonga en el Laboratorio de Inteligencia Artificial Cuántica en el Centro de Investigación Ames de la NASA en Mountain View, California, y un grupo de colegas que han desarrollado una prueba de evaluación comparativa que funciona tanto en dispositivos clásicos como cuánticos. De esta manera, es posible comparar su desempeño.

Además, el equipo ha utilizado la nueva prueba para poner a prueba Summit, la supercomputadora más poderosa del mundo, a 281 petaflops. El resultado es el punto de referencia que deben superar las computadoras cuánticas para finalmente establecer su supremacía en las clasificaciones.

Encontrar una buena medida del poder de la computación cuántica no es tarea fácil. Para empezar, los científicos informáticos saben desde hace mucho tiempo que las computadoras cuánticas pueden superar a sus contrapartes clásicas solo en un número limitado de tareas altamente especializadas. E incluso entonces, ninguna computadora cuántica es actualmente lo suficientemente poderosa como para realizar ninguno de ellos particularmente bien porque, por ejemplo, son incapaces de corregir errores.

Así que Villalonga y compañía buscaron una prueba mucho más fundamental del poder de la computación cuántica que funcionara igual de bien para los dispositivos primitivos de hoy y las máquinas cuánticas más avanzadas del mañana, y que también pudiera simularse en máquinas clásicas.

Su problema elegido es simular la evolución del caos cuántico utilizando circuitos cuánticos aleatorios. Las computadoras cuánticas simples pueden hacer esto porque el proceso no requiere una corrección de errores poderosa y es relativamente sencillo filtrar los resultados que han sido abrumados por el ruido.

También es sencillo para las máquinas clásicas simular el caos cuántico. Pero la potencia informática clásica requerida para hacer esto aumenta exponencialmente con la cantidad de qubits involucrados.

Hace dos años, los físicos determinaron que las computadoras cuánticas con al menos 50 qubits deberían lograr la supremacía cuántica sobre una supercomputadora clásica en ese momento.

Pero los postes de la portería se mueven constantemente a medida que se actualizan las supercomputadoras. Por ejemplo, Summit es capaz de generar significativamente más petaflops ahora que en la última clasificación de noviembre, cuando inclinó la balanza a 143 petaflops. De hecho, Oak Ridge National Labs reveló esta semana planes para construir una máquina de 1,5 exaflop para 2021. Por lo tanto, es cada vez más importante poder comparar continuamente estas máquinas con las computadoras cuánticas emergentes.

Investigadores de la NASA y Google han creado un algoritmo llamado qFlex que simula circuitos cuánticos aleatorios en una máquina clásica. El año pasado, demostraron que qFlex podía simular y comparar el rendimiento de una computadora cuántica de Google llamada Bristlecone, que tiene 72 qubits. Para hacer esto, usaron una supercomputadora Ames de la NASA con 20 petaflops de poder de procesamiento de números.

Ahora han demostrado que la supercomputadora Summit puede simular el rendimiento de un dispositivo cuántico mucho más grande. En Summit pudimos lograr un rendimiento sostenido de 281 Pflop/s (precisión simple) sobre toda la supercomputadora, simulando circuitos de 49 y 121 qubits, dicen.

Estos 121 qubits están más allá de la capacidad de cualquier computadora cuántica existente. Así que las computadoras clásicas siguen estando un pelo por delante en la clasificación.

Pero esta es una carrera que están destinados a perder. Los planes ya están en marcha para construir computadoras cuánticas con más de 100 qubits en los próximos años. Y a medida que se aceleran las capacidades cuánticas, el desafío de construir máquinas clásicas cada vez más poderosas ya se topa con los topes.

El factor limitante para las máquinas nuevas ya no es el hardware, sino la potencia disponible para mantenerlas funcionando. La máquina Summit ya requiere una fuente de alimentación de 14 megavatios. Eso es suficiente para iluminar toda una ciudad de tamaño mediano. Escalar un sistema de este tipo 10 veces requeriría 140 MW de potencia, lo que sería prohibitivamente costoso, dicen Villalonga y compañía.

Por el contrario, las computadoras cuánticas son frugales. Su principal requisito de energía es el enfriamiento de los componentes superconductores. Entonces, una computadora de 72 qubits como Bristlecone de Google, por ejemplo, requiere alrededor de 14 kw. Incluso a medida que los sistemas qubit se amplían, es poco probable que esta cantidad crezca significativamente, dicen Villalonga y compañía.

Entonces, en las clasificaciones de eficiencia, las computadoras cuánticas están destinadas a barrer el piso con sus contrapartes clásicas más temprano que tarde.

De una forma u otra, se acerca la supremacía cuántica. Si este trabajo sirve de algo, es probable que el punto de referencia que lo demuestre sea qFlex.

Ref: arxiv.org/abs/1905.00444 : Estableciendo la Frontera de Supremacía Cuántica con una Simulación de 281 Pflop/s

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