Conferencia #Quantum13: El timo del ordenador cuántico comercial

Mi charla de 10 minutos en Passion for Knowledge – Naukas Quantum 13, impartida el miércoles 2 de octubre en San Sebastián/Donostia discuto los fundamentos de la computación cuántica y trato de explicar por qué el llamado “ordenador cuántico comercial” de la compañía D-Wave Systems no es un ordenador realmente cuántico. En 10 minutos no hay mucho tiempo para presentar los detalles técnicos, pero espero que te guste la charla. Tienes más detalles en “Por qué el ordenador “cuántico” D-Wave Two no es cuántico,” 27 Ago 2013; “Nuevo algoritmo de corrección de errores en recocido cuántico,” 02 Ago 2013; “Por primera vez en la historia se vende un ordenador cuántico “D-Wave One”,” 6 Jun 2011; y otras más.

Francis en Quantum Naukas Donosti y los ordenadores cuánticos

Dibujo20130903 naukas quantum donosti - banner

Hoy miércoles 2 de octubre de 2013 a las 19:50 podrás disfrutar vía streaming en directo de mi charla de 10 minutos “El timo del ordenador cuántico comercial” en el evento Naukas Quantum (anuncio oficial en Naukas). En el escenario del Teatro Victoria Eugenia, Donostia (San Sebastián), España, podrás disfrutar de múltiples charlas cortas de 10 minutos sobre divulgación de la ciencia. Charlas sencillas, dinámicas, divertidas y originales.

Dibujo20130730 program - naukas quantum

Para ir abriendo boca, te dejo un vídeo youtube de mi charla “Quantum Computer Simulations using Supercomputers,” que ofrecí en el HPC Advisory Council Spain Workshop 2012 en Málaga (septiembre de 2012). El sonido no está muy bien (se grabó con un micrófono puesto en la mesa) y está en inglés (mi pronunciación no es muy buena, pero quizás por ello será más fácil de entender para los hispanohablantes).

En Donostia mi charla será en español. Si te apetece, ¡nos vemos en Donostia!

Sólo para frikis que quieran usar un ordenador cuántico

Dibujo20130906 qcloud - centre for quantum photonics - university bristol

El gran problema de los ordenadores cuánticos es la falta de algoritmos. Muchos jóvenes frikis desarrollarían gratis algoritmos cuánticos si pudieran, pero no tienen acceso a un ordenador cuántico donde ejecutarlos. El profesor Jeremy O’Brien de la Univ. de Bristol lo sabe y ha anunciado hoy, 6 de septiembre, el proyecto Qcloud: Acceso gratis a un simulador de su ordenador cuántico (que utiliza tecnologías fotónicas). Los algoritmos que funcionen de forma correcta en el simulador podrán solicitar ser ejecutados en su ordenador cuántico de verdad de forma gratuita. Gracias a ello cualquier joven friki podrá desarrollar algoritmos cuánticos y ejecutarlos en un ordenador cuántico de verdad. ¿Te animas? ¿A qué estás esperando? Regístrate en la web bristol.ac.uk/quantum-computing, donde podrás leer los manuales y las guías de usuario del simulador, dale al coco y ponte a desarrollar algoritmos cuánticos, ¿no te gustaría ser el primero en usar un ordenador cuántico gracias a Qcloud? Nos lo cuentan en “Quantum in the Cloud,” Press release, Univ. Bristol, 6 Sep. 2013; me he enterado gracias a un tuit de Jorge Barreto (@GHKBarreto).

Por qué el ordenador “cuántico” D-Wave Two no es cuántico

Dibujo20130827 D-Wave Quantum Computers

Lo he dicho en varias ocasiones en este blog, pero conviene repetirlo. Un ordenador montado a base de conectar 512 cubits (bits cuánticos) superconductores no es un ordenador cuántico. Para serlo además debe demostrar que durante su operación estos cubits están entrelazados entre sí; si no lo están, estos cubits se comportan como bits probabilísticos y es un ordenador clásico no determinista sin paralelismo cuántico. La compañía canadiense D-Wave no ha demostrado que su ordenador D-Wave Two con 512 cubits sea un ordenador cuántico, por tanto es un ordenador clásico no determinista. Esta hipótesis queda confirmada al analizar con ojos críticos los resultados de D-Wave Two que han sido publicados por la propia compañía. Más aún, ni siquiera es un ordenador de propósito general, capaz de ejecutar un algoritmo no determinista arbitrario; se trata de un ordenador de propósito específico que ejecuta un único algoritmo, el recocido cuántico, la versión con cubits del recocido simulado (simulated annealing). Esta entrada viene a colación por el artículo de Jesse Dunietz, “Quantum Computing Disentangled: A Look behind the D-Wave Buzz,” Scientific American, Aug 27, 2013.

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Nuevo algoritmo de corrección de errores en recocido cuántico

Dibujo20130802 connectivity graph D-Wave One -Rainier- and D-Wave Two -Vesuvius

El recocido cuántico (“quantum annealing”) es una forma de computación cuántica para la resolución de problemas de optimización combinatoria que presenta grandes ventajas (speedups) en algunos algoritmos respecto a las implementaciones basadas en el recocido simulado clásico (“simulated annealing”). Pero esta técnica no es ventajosa con un gran número de cubits sino se usan técnicas de corrección de errores. La nueva técnica llamada QAC se ha mostrado usando 344 cubits superconductores en los ordenadores D-Wave One (“Rainier”) y D-Wave Two (“Vesuvius”) de la compañía canadiense D-Wave Systems. El problema resuelto se codifica con 86 cubits, siendo el resto de los cubits necesarios para la corrección de errores. El artículo técnico, para los interesados en los detalles, es Kristen L. Pudenz, Tameem Albash, Daniel A. Lidar, “Error corrected quantum annealing with hundreds of qubits,” arXiv:1307.8190, Subm. 31 Jul 2013.

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“Física cuántica: del gato de Schrödinger al ordenador del futuro” de Juan Ignacio Cirac

Conferencia plenaria de divugación dada por Juan Ignacio Cirac en la Ciudad de las Artes y las Ciencias de Valencia en el marco de la XXXIV Reunión Bienal de la Real Sociedad Española de Física y el 23º Encuentro Ibérico de Enseñanza de la Física. Merece la pena, ¡qué la disfrutes! Por cierto, me he enterado del vídeo gracias a Laura Morrón (@lauramorronhttp://losmundosdebrana.wordpress.com/), siendo sus responsables el Área Joven SEDOPTICA (@SedopticaAJhttp://areajovensedoptica.blogspot.com.es). Gracias por vuestra labor.

Factorizan un número entero de 20.000 bits utilizando el algoritmo cuántico de Shor pero con “truco”

Dibujo20130710 Experimental data from unbiased coins - Shor compiled algorithm

El paradigma de los algoritmos cuánticos es el algoritmo de Shor para factorizar números enteros. Para reducir el número de cubits necesarios se puede utilizar un truco llamado “precompilación” basado en conocer a priori los factores del número. Gracias a esta técnica, usando dos cubits en una implementación semiclásica, se han factorizado el número RSA-768 (de 768 bits) y el llamado N-20000 (de 20.000 bits). Sin el truco de la precompilación del algoritmo de Shor hubieran sido necesarios 1.154 cubits y 30.002 cubits, resp. Dicho truco no es aplicable cuando no se conocen los factores del número por lo que no puede utilizarse en criptoanálisis de claves públicas. Además, dicho truco puede utilizarse incluso en una implementación clásica del algoritmo de Shor utilizando números aleatorios generados tirando monedas (que salga cara H o cruz T); el nuevo récord se ha obtenido usando dicho truco. Pero lo importante a destacar es que, hasta el momento, el algoritmo de Shor nunca ha sido implementado en un ordenador cuántico de forma completa (sin “precompilación”). El artículo técnico es John A. Smolin, Graeme Smith, Alexander Vargo, “Oversimplifying quantum factoring,” Nature 499: 163–165, 11 Jul 2013. Este artículo me viene ni que pintado porque el viernes 12 de julio imparto el curso “Presente y futuro de la computación cuántica” en un curso de verano “Alan M. Turing: Enigmático, visionario y condenado,” coordinado por Ernesto Pimentel, director de la E.T.S.I. Informática de la Universidad de Málaga, que se imparte en Veléz Málaga.

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Francis en Trending Ciencia: El entrelazamiento entre cubits de diamante

Dibujo20130428 diamond qubits based on nitrogen defects

Disfruta de mi nuevo podcast para Trending Ciencia siguiendo este enlace. He elegido como tema para mi nuevo podcast sobre física una noticia sobre mecánica cuántica, en concreto, un nuevo récord de distancia en el entrelazamiento de dos cubits de estado sólido implementados mediante cristales de diamante (ya hablé de ello en este blog). El grupo de investigación del Prof. Ronald Hanson, de la Universidad Técnica de Delft, Países Bajos, ha publicado online en Nature el pasado 24 de abril un artículo cuyo primer autor es su estudiante de doctorado Hannes Bernien, que ya apareció en el servidor de preprints arxiv el 26 de diciembre del año pasado, en concreto, el artículo arxiv:1212.6136.

El artículo técnico es H. Bernien et al., “Heralded entanglement between solid-state qubits separated by three metres,” Nature, AOP 24 April 2013 [arXiv:1212.6136]. Recomiendo leer también a Richard Van Noorden, “Diamond shows promise for a quantum Internet. Crystal could be used to connect distant quantum networks,” Nature News, 24 Apr 2103.

Entrelazar cubits de estado sólido en distancias grandes es muy difícil pues se requiere un protocolo con una partícula que actúa como mediadora que recorra dicha distancia. Entrelazar dos cubits implementados con diamante en una distancia de 3 metros parece poco, pues esta distancia es muy pequeña comparada con los casi 200 km que se logran con cubits implementados con fotones, pero trabajar con cubits implementados con diamante es mucho más difícil.

Pero antes de discutir más sobre este logro, permíteme recordar qué es el entrelazamiento cuántico, qué son los cubits implementados en celdas de diamante y por qué son tan interesantes.

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Entrelazan dos cubits de estado sólido en una distancia de tres metros

Dibujo20130424 Experimental set-up and protocol for generating long-distance entanglement between two solid-state spin qubits

Entrelazar cubits de estado sólido en distancias grandes es difícil pues se requiere un protocolo con un mediador que recorra dicha distancia. H. Bernien (Universidad Técnica de Delft, Holanda) y sus colegas han logrado entrelazar dos cubits codificados en el espín de electrones en dos celdas de diamante utilizando fotones como mediadores. La gran ventaja de la implementación de cubits en estado sólido es la posibilidad de utilizar técnicas de nanotecnología (nanofabricación), lo que facilita la escalabilidad del diseño. Este logro allana el camino hacia el uso de cubits de estado sólido en la futura red de internet cuántica, routers cuánticos y protocolos de teletransporte cuántico. El artículo técnico es H. Bernien et al., “Heralded entanglement between solid-state qubits separated by three metres,” Nature, AOP 24 April 2013.

Un cubit se puede almacenar en el espín electrónico de un átomo de nitrógeno que actúe como defecto en una red cristalina de carbono (diamante). El espín electrónico permite representar los dos estados del cubit como  |↑> y |↓> en los estados S=0 y S=1, resp., que pueden ser controlados de forma individual con pulsos de microondas. El uso de fotones como mediadores en el protocolo tiene el problema de que la eficiencia no es perfecta, hay pérdida de fotones y los detectores pueden fallar. Para reducir estos efectos Bernien y sus colegas han utilizado un sistema redundante de doble vuelta, utilizando dos fotones como mediadores que van y vienen entre los dos cubits en sendas rondas. El resultado es un protocolo robusto contra la pérdida de fotones.

Por cierto, un título más chic para esta entrada sería “La internet cuántica del futuro gracias a los chips de diamante,” en la línea de Richard Van Noorden, “Diamond shows promise for a quantum Internet. Crystal could be used to connect distant quantum networks,” Nature News, 24 Apr 2013, pero me ha parecido demasiado chic. Quizás los futuros ordenadores cuánticos utilicen cubits de estado sólido en cristales de diamante, es decir, sean “chips cuánticos de diamante,” pero, la verdad, me parece un poco sensacionalista decirlo.

Ya lo conté en “Un diamante, el mejor amigo de una mujer, especialmente si es ingeniera en ordenadores cuánticos.” Los cubits de diamante son muy prometedores desde que el año pasado se demostró que podían superar la decoherencia durante decenas de milisegundos y que podían permitir el desarrollo de memorias cuánticas capaces de retener un cubit durante un segundo (“Gran avance en memorias cuánticas para almacenar cubits con el espín nuclear“). Pero, por supuesto, como siempre, sólo el tiempo dirá cuál es la tecnología ganadora que nos llevará hacia la internet cuántica del futuro y hacia los ordenadores cuánticas (ambas tecnologías no tienen por qué ser la misma).

Nuevo test para certificar el entrelazamiento y la no localidad en un sistema cuántico

Dibujo20130424 test RUV - quantum system as black box

Quieres comprar el ordenador cuántico o el sistema de criptografía cuántica que la empresa “fulanita” te vende. ¿Quién te certifica que es un sistema cuántico que usa el entrelazamiento y la no localidad? No puedes confiar a ciegas en lo que te diga la empresa. Tampoco puedes verificar la desigualdad de Bell (1964) o la CHSH, por Clauser, Horne, Shimony y Holt (1969), pues para ello tienes que acceder a las “tripas” del sistema y la empresa “fulanita” te quitará la garantía. Se acaba de publicar en Nature la solución a tu problema. Ben W. Reichardt (Universidad del Sur de California, Los Angeles, EE.UU.), Falk Unger (Knight Capital Group, Santa Clara, California EE.UU.) y Umesh Vazirani (Universidad de California, Berkeley, EE.UU.) han publicado una nueva versión del test CHSH mucho más fácil de verificar en la práctica, al que podemos bautizar como test RUV (por Reichardt, Unger y Vazirani). Nos lo cuentan Stefano Pironio, Dorit Aharonov, “Quantum physics: A grip on misbehaviour,” Nature 496: 436–437, 25 Apr 2013; el artículo técnico es Ben W. Reichardt, Falk Unger, Umesh Vazirani, “Classical command of quantum systems,” Nature 496: 456–460, 25 Apr 2013.

El test RUV verifica las correlaciones cuánticas entre dos sistemas que se comportan como cajas negras a las que podemos acceder sólo mediante una interfaz clásica muy sencilla. En concreto, el observador externo sólo puede realizar a cada caja negra dos preguntas pulsando sendos botones marcados con “0” y “1”, a las que el sistema puede contestar con sólo dos respuestas, también marcadas con “0” y “1” (ver la figura que abre esta entrada). El observador externo no sabe lo que significan estas preguntas (qué propiedades físicas del sistema estudian) e ignora el proceso que produce las respuestas. El sistema se puede consultar tantas veces como se desee. Las correlaciones cuánticas no triviales entre ambos sistemas dejan una marca en las respuestas clásicas que permite verificar la no localidad y el entrelazamiento entre ellos con una certeza similar al test CHSH. El nuevo test RUV promete entrar con brío en el panorama del procesado de información cuántica, la criptografíca cuántica y la computación cuántica. 

Quizás puedas pensar que un ordenador cuántico está todavía lejos y que el test RUV tiene poca utilidad práctica, pero te equivocas. Ya hace más de una década que se pueden adquirir sistemas de cifrado de alta seguridad basados en criptografía cuántica para la distribución cuántica de claves (QKD). ¿Son seguras las implementaciones de estos protocolos que se venden comercialmente? ¿Qué nivel de seguridad tienes estas implementaciones comerciales? O lo que es más importante, ¿puedes confiar en la empresa que los comercializa?

Cualquiera puede utilizar el nuevo test RUV para verificar y/o certificar si un sistema QKD comercial funciona como tiene que funcionar, tomando dicho sistema como una caja negra a la que podemos interrogar con información clásica. Un proceso parecido a un interrogatorio de un policía a dos ladrones sobre un crimen; aunque el policía no sepa nada sobre el crimen puede verificar la consistencia de las respuestas de ambos ladrones para certificar su autoría. Tiempo al tiempo, para todo augura que pronto habrá empresas de certificación de sistemas cuánticos basadas en protocolos similares al test RUV a las que recurrirán tanto los usuarios finales como las propias empresas fabricantes. Como dicen que dijo Michael Faraday al primer ministro británico: “algún día, señor, cobrará impuestos por esto.”