Para comprender mejor la computadora cuántica y la carrera tecnológica que genera, ofrecemos aquí el primer artículo de una serie que seguirá con otras ideas en las próximas semanas.
El 21 de enero de 2021 se anunció el “Plano Cuántico”una estrategia nacional con un presupuesto de 1.800 millones de euros, siguiendo la Informe parlamentario “Forteza” del 9 de enero de 2020 titulado “Quantum: un cambio que Francia no debe perderse”.
Eventualmente, las tecnologías cuánticas podrían hacer posibles computadoras extremadamente rápidas y poderosas. Estos podrían revolucionar todo lo que actualmente depende de la informática, desde los intercambios financieros hasta la investigación de punta, justificando la inversiones masivas y la carrera por la tecnología por parte de los estados y los GAFAM.
Pero en la actualidad, estas promesas siguen siendo en gran parte teóricas. Entonces, ¿por qué tanto entusiasmo por la computadora cuántica? ¿Cómo llegamos a combinar estos dos términos de disciplinas que a priori no tienen nada que ver entre sí?
Para comprender los orígenes de esta criatura híbrida, entre la física y la informática, retrocederemos mucho, casi hasta el principio.
El alma de todas las computadoras: la máquina de Turing
En 1936, el matemático británico Alan Turing, uno de los fundadores de la informática, describe la máquina de “Turing” que será el “molde” de todos nuestros ordenadores. Esta máquina se puede programar para resolver problemas de la siguiente manera: damos una entrada, luego la máquina calcula en varias etapas hasta que se detiene para devolver su salida como respuesta.
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La primera idea de esta máquina es modelar un humano con un papel y un bolígrafo, al que se le ha proporcionado unas instrucciones muy precisas, la famosa “computadora”, en el lenguaje de Turing. Sorprendentemente, las muchas otras propuestas que se han hecho con el mismo propósito han resultado tener el mismo poder que las máquinas de Turing. Esto se resume en la tesis ampliada de Church-Turing, que dice lo siguiente:
“Cualquier computadora razonable puede, en el mejor de los casos, resolver los mismos problemas y con la misma eficiencia que la máquina de Turing. »
Esta tesis no es una afirmación matemática rigurosa que uno pueda esperar probar, pero puede ser refutada. Bastaría con eso encontrar un mejor modelo de cálculo… pero hasta ahora, ninguno lo podía hacer mejor que la máquina de Turing. Bueno, casi.
El advenimiento de la cuántica
Los físicos se interesaron muy pronto en las computadoras como herramientas de “simulación”: al insertar leyes físicas en el programa de computadora, uno puede imitar la naturaleza.
Matrix, llevado a la pantalla en 1999 por las hermanas Wachowski, es un ejemplo de este tipo de programa, que máquinas malévolas han diseñado cuidadosamente para emular todas las interacciones posibles con el mundo. ¿Es tal cosa factible en la práctica?
Película “Matrix” de las hermanas Wachowski
Si es relativamente fácil simular el vuelo de los cuervos frente a los pasos del Agente Smith, las cosas se ponen realmente difíciles si los habitantes de Matrix deciden construir aceleradores de partículas (una posibilidad que lamentablemente no se menciona en la película). De hecho, las ecuaciones que gobiernan el comportamiento de las partículas (las de la mecánica cuántica) son mucho más complejas de simular para una computadora que las que describen el vuelo de los pájaros. Vamos a tratar de averiguar qué.
La interferencia de posibilidades
La física cuántica es la teoría física relevante cuando se trata de describir fenómenos a escala de átomos. Tiene características muy especiales.
Primero, solo predice probabilidades de que la partícula haga tal o cual cosa. Por lo tanto, podemos representar la evolución de un objeto cuántico como un “árbol de posibilidades”.
Pero el aspecto más importante de la física cuántica es que las distintas ramas de este árbol no son independientes entre sí. Algunas ramas pueden anularse o reforzarse, hablamos de “interferencias”.
Aquí vemos la dificultad: para simular la trayectoria real de una partícula, también es necesario haber simulado todas las demás trayectorias posibles para tener en cuenta la interferencia. Esto requiere recursos informáticos sustanciales, especialmente cuando se consideran sistemas físicos concretos para los cuales la cantidad de posibilidades es inmensa.
Por eso es difícil para una máquina de Turing simular sistemas descritos por la física cuántica: debe realizar una gran cantidad de operaciones. Esta es la observación que hizo el físico Richard Feynman en 1981. Él hace la siguiente propuesta:
“¿No sería más fácil simular la física cuántica si las propias computadoras fueran cuánticas?” »
¿Cómo simular sistemas cuánticos?
Para ello, el físico David Deutsch imaginó en 1985 una “máquina cuántica de Turing”, que se comporta como una partícula. En cada paso de cálculo, la máquina explora varias ramas y el resultado final depende de la interferencia entre estas diferentes ramas. Una máquina cuántica de Turing que usa solo una rama es exactamente una máquina de Turing normal.
Atención, la posible ganancia en potencia de cálculo no viene directamente de la posibilidad de realizar varios cálculos en paralelo en las sucursales. De hecho, al final del cálculo, recuperamos el resultado de una sola rama con una cierta probabilidad en función de las interferencias. Por lo tanto, la aceleración sólo puede provenir deingeniosos trucos algorítmicos aumentando la probabilidad de ramas interesantes, mientras que disminuye la probabilidad de otras a través de la interferencia. Por eso es muy difícil programar una computadora cuántica.
alfonso Saborido/Flickr, Tamiko Thiel/Wikipedia, CC BY-SA
Hasta la fecha, hay relativamente pocos ejemplos de tales programas. El más famoso es el“Algoritmo de Shor”que explota elegantemente la interferencia para romper ciertos tipos de cifrados de seguridad, por ejemplo, el encriptación de tarjetas de crédito.
Una ventaja cuántica todavía teórica
Una máquina de Turing puede perfectamente, en teoría, emular una máquina cuántica de Turing calculando todas las trayectorias y sus interferencias. Por lo tanto, las computadoras cuánticas no pueden resolver nuevos problemas que las computadoras normales no pueden resolver.
Sin embargo, una máquina de Turing clásica tarda mucho en simular su contraparte cuántica, lo que sugiere que la La tesis extendida de Church-Turing podría hacerse añicos. La máquina cuántica de Turing se convertiría entonces en el nuevo horizonte de la informática.
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Eso sí, ojo, porque por el momento nadie ha podido demostrar con rigor que la máquina cuántica de Turing sea más rápida que la máquina de Turing normal, aunque la experiencias recientes tienden a indicar que este es el caso.
El desafío sigue siendo demostrar la ventaja cuántica en la práctica.
Finalmente, solo hemos hablado aquí de teoría, descuidando un aspecto muy importante: la construcción de las computadoras.
Así, si ya en 1936 la historia ya estaba teóricamente plegada, fueron necesarios años y tremendos esfuerzos tecnológicos para que la máquina de Turing se plasmara por completo en los procesadores. Lo mismo ocurre con la computación cuántica.
Incluso si la máquina cuántica de Turing resulta ser más rápida, aún no se ha construido una computadora cuántica real. A partir de entonces, el duelo teórico entre máquinas de Turing normales y cuánticas se trasladará a la competición entre máquinas concretas. El resultado de este duelo es actualmente incierto, y el desafío para la computación cuántica será demostrar una ventaja práctica mediante el uso inteligente de los miles de millones invertidos en los últimos años.
Y después de eso ? Quién sabe, tal vez la física todavía tenga algunas sorpresas reservadas para los científicos informáticos del futuro.
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