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

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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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La empresa D-Wave inventa la espectroscopia túnel para verificar que sus ordenadores son cuánticos

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La compañía canadiense D-Wave afirma que ha fabricado un ordenador cuántico de 512 cubits, que se pondrá a la venta durante este año y que ejecuta ciertos algoritmos con cientos de bits unas diez mil veces más rápido que su análogo clásico. El ordenador utiliza la llamada computación cuántica adiabática. Muchas voces han criticado a D-Wave por no demostrar de forma rigurosa el funcionamiento cuántico de sus ordenadores. Los científicos de D-Wave han desarrollado una nueva técnica para verificarlo, llamada espectroscopía túnel, que han publicado en Physical Review B. En una conferencia en Londres el pasado 6 de marzo han afirmado que dicha técnica ha sido aplicada a grupos de hasta 8 cubits de su ordenador “cuántico” demostrando que se comportan de forma cuántica durante la ejecución de sus algoritmos. Los resultados aún no han sido publicados. Obviamente, no es lo mismo demostrar el comportamiento cuántico de 8 cubits en un ordenador de 512 cubits, que hacerlo con todos los 512 cubits, pero se trata de un paso importante cuyo objetivo es acallar a la mayoría de las voces críticas. D-Wave tiene financiación de grandes empresas, como Google, y su objetivo es la vía rápida de los inventores (construir un prototipo y demostrar que funciona), en lugar de la línea lenta de los científicos (estudiar el diseño apropiado antes de construir nada). Me enteré de la conferencia en Londres gracias a Jacob Aron, “Controversial quantum computer aces entanglement tests,” NewScientist, 08 March 2013. El artículo técnico que describe la técnica de espectroscopia túnel es A. J. Berkley et al., “Tunneling spectroscopy using a probe qubit,” Phys. Rev. B 87: 020502(R), 2013 [arXiv:1210.6310]. No me he hecho eco antes de este trabajo pues esperaba la publicación de los resultados de la aplicación de esta nueva técnica, pero por lo que parece se van a retrasar (aún no hay fecha, que yo sepa).

Más sobre D-Wave en este blog:

El ordenador “cuántico” canadiense de 128 cubits de D-Wave Systems (25 marzo 2012)

Por primera vez en la historia se vende un ordenador cuántico “D-Wave One” (6 junio 2011)

Inaudito, D-Wave Systems logra publicar un artículo en Nature (13 mayo 2011)

Tras Orion, Rainier, un ordenador cuántico adiabático de D-Wave Systems de 128 cubits (18 mayo 2009)

Inaudito, D-Wave Systems logra publicar un artículo en Nature

La compañía canadiense D-Wave Systems anunció el 13 de febrero de 2007 el desarrollo del primer computador cuántico “comercial” llamado Orion. Basado en el concepto de computación cuántica adiabática, pocos se lo tomaron en serio.  Publicaron en Physical Review Letters, lograron la financiación del gigante Google y, para sorpresa de todos, acaban de publicar en Nature. Yo impartí una conferencia en Málaga sobre este tema y he de confesar que me alegro de los éxitos de esta compañía. ¿Qué han publicado? Johnson et al. han logrado la primera implementación del algoritmo de “recocido cuántico” (quantum annealing) con 8 cubits. Sólo 8 cubits, cuando su ordenador Rainier se supone que ya tenía 128 cubits. Su apuesta ha sido esa, escalar ordenadores con muchos cubits sin preocuparse por si son cubits o no lo son; apostar por el avance hacia adelante en lugar de por dar pasos seguros. En paralelo, con ordenadores de muchos menos cubits, están demostrando que el concepto funciona y lo están publicando en revistas de prestigio. Se pueden tener dudas sobre si el concepto es escalable o no, pero, ¿y si lo es? La computación cuántica avanza lentamente y nunca antes se había logrado demostrar la computación cuántica adiabática con 8 cubits. Por eso este logro merece haber sido publicado en la prestigiosa revista Nature. Nos lo cuenta William D. Oliver, “Quantum physics: Keep your feet on the ground,” News & Views, Nature 473: 164–165, 12 May 2011.M. W. Johnson et al., “Quantum annealing with manufactured spins,” Nature 473: 194–198, 12 May 2011. Geordi Rose (cofundador de D-Wave Systems y bloguero por onviccióndebe estar que se sale, no debe caber en ningún traje.

La diferencia entre la computación cuántica convencional y la adiabática es fácil de explicar. La convencional trata de imitar las ideas usadas en los ordenadores (clásicos) convencionales, pero en su versión cuántica. Sin embargo, la computación cuántica adiabática utiliza un concepto novedoso cuyo análogo clásico no tiene ninguna utilidad práctica. El problema de este tipo de computación es que, aunque en teoría es universal y permite resolver cualquier problema, en la práctica está limitada a ciertos problemas concretos, por ejemplo, problemas de búsqueda en grafos, pero ya se sabe que empresas como Google viven de resolver problemas de búsqueda de forma eficiente.

En el nuevo artículo de Johnson et al. se ha implementado un sistema de espines de tipo Ising unidimensional con ocho espines. Cada espín actúa como un cubit (bit cuántico) superconductor implementado gracias a una unión (diodo) de tipo Josephson. Los dos estados del cubit (1 y 0) corresponden a las dos direcciones de propagación del flujo magnético cuantizado en el dispositivo. Se trata de un cubit porque la mecánica cuántica permite que que el dispositivo se encuentre en un estado de superposición en el que el cubit se encuentra de forma simultánea en ambos estados (direcciones de movimiento). El cubit se modela como un pozo de potencial doble (como una letra “W”) y cada estado corresponde a uno de los pozos, que están separado entre sí por una barrera. La mecánica cuántica permite la superposición de ambos estados, como si el cubit estuviera simultáneamente en ambos pozos de potencial. Una ristra de 8 cubits se comporta como un sistema que puede estar en 256 estados superpuestos, 256 estados posibles simultáneos.

La gran crítica a la empresa D-Wave ha sido la dificultad de diferenciar entre un “recocido clásico” y un “recocido cuántico.” Johnson et al . han logrado demostrar que su sistema (enfriado a 45 milikelvin) alcanza un estado estacionario cuyo comportamiento evidencia la existencia de un efecto túnel cuántico entre los posible estados de su sistema que es imposible que se dé si su sistema no logra entrelazar los 8 cubits. Los resultados experimentales obtenidos corresponden a los esperados según las simulaciones (en ordenadores clásicos) de este sistema (estas simulaciones requieren millones de horas de procesamiento en un ordenador tipo PC). Los resultados del experimento demuestran de forma clara que el registro de 8 cubits (que podríamos llamar cubyte) se comporta como debería comportarse.

Por supuesto, publicar en Nature la demostración de que un concepto arriesgado como la computación cuántica adiabática funciona con 8 cubits no implica que la implementación del mismo concepto con 128 cubits o más también funcione. Aún así, se trata de un gran logro técnico cuya importancia real será decidida en los próximos años conforme el número de cubits crezca.

La gran apuesta de D-Wave es extrapolar un concepto teórico que podría funcionar con la fe de que acabará funcionando. Demostrar que realmente funciona es mucho más difícil que construir el computador adiabático de forma experimental. Primero lo hago y luego me preocupo de demostrar que lo he hecho. Una opción práctica en un contexto industrial (una compañía privada) pero con poco futuro en un contexto académico (nadie financiará una utopía). Confieso que tengo serias dudas sobre si D-Wave acabará logrando lo que pretenden, pero me encanta que le hayan echado huevos…

Publicado en Nature: Biología cuántica y computación cuántica adiabática en la fotosíntesis a temperatura ambiente

La física cuántica parece la parte de la física más alejada de la biología, ya que la coherencia cuántica parece poco importante en macromoléculas bioquímicas. Sin embargo, el estudio de la fotosíntesis en algas indica que su alta eficiencia es debida al uso de la coherencia cuántica. Por primera vez, dicho fenómeno ha sido observado experimentalmente  a temperatura ambiente (antes se había observado por debajo de 77 K). La proteínas fotosintéticas que absorben fotones solares y excitan electrones en moléculas de clorofila actúan como un computador cuántico. Elisabetta Collini et al. han investigado dos tipos de moléculas captadoras de luz solar (antenas) que han excitado usando un par de pulsos láser ultracortos (de 25 fs, femtosegundos) creando una superposición cuántica de sus estados electrónicos excitados, de sus funciones de onda cuánticas. Un tercer pulso láser induce la emisión de un fotón adicional (llamado “eco”) que permite la medida precisa de la evolución del sistema (el método experimental se denomina espectroscopía con fotón-eco en 2D). Las oscilaciones de estos estados excitados observadas corresponden a lo esperado según las simulaciones por ordenador de la mecánica cuántica de este proceso. Más aún, se ha observado que los estados cuánticos coherentes tienen una vida mucho más larga de lo esperado (más de 400 fs). Las algas logran evitar la decoherencia del estado cuántico (que daría una vida media menor de 100 fs) gracias a ciertos enlaces covalentes en las moléculas que actúan como antenas. El problema de optimizar la distribución de la energía solar entre un grupo de moléculas de clorofila evitando los posibles mínimos de energía que degradarían su eficiencia es resuelto en las algas fotosintéticas gracias a un proceso cuántico, una optimización cuántica, que actúa como un ordenador cuántico adiabático. En resumen, un gran artículo que nos indica que los estados cuánticos coherentes en las moléculas fotosintéticas son uno de los grandes responsables de la gran eficiencia energética de la fotosíntesis en algas. Nos lo cuentan Rienk van Grondelle, Vladimir I. Novoderezhkin, “Photosynthesis: Quantum design for a light trap,”News and Views, Nature 463: 614-615, 4 February 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Elisabetta Collini et al., “Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature,” Nature 463, 644-647, 4 February 2010.

Los interesados en más información pueden recurrir a Brandon Keim, “Everywhere in a Flash: The Quantum Physics of Photosynthesis,” Wired Science, February 2, 2010; “Scientists find quantum mechanics at work in photosynthesis,” PhysOrg.com, February 3, 2010; Laura Sanders, “Algae use quantum trick to harvest light. Study detects predicted wavelike properties during photosynthesis,” ScienceNews, February 3, 2010; y “Quantum Mechanics at Work in Photosynthesis: Algae Familiar With These Processes for Nearly Two Billion Years,” ScienceDaily, Feb. 3, 2010.