Patenten una computadora quàntica amb qubits superconductors

Computació quàntica: La polèmica de la setmana ha estat al voltant de la patent registrada el novembre passat per D-Wave Systems sobre un sistema de computació quàntica adiabàtica amb qubits superconductors. El darrer número de The Economist se'n feia ressò i en parlava com del "primer computador quàntic d'utilitat pràctica" (i, per tant, comercialitzable). Davant de tan optimisme, Scott Aaronson, de l'Institute for Quantum Computing (IQC) s'ha vist obligat a afirmar, contràriament a allò que deixa entreveure als mitjans de comunicació D-Wave Systems, que "els computadors quàntics no poden resoldre problemes complets NP. L'explotació de fenòmens com la interferència quàntica, reconeix Aaronson, pot fer útils les computadores quàntiques en la resolució de tasques com la factorització de nombres sencers (amb utilitat pràctica en el camp de la criptografia)".
[@more@]

La computació quàntica

La descoberta que els bescanvis d'energia es realitzen en quantitats discretes, per bé que prou minses com perquè no ho percebem en el món macroscòpic, va conduir a la formulació de la mecànica quàntica. En el nivell atòmic i subatòmic la validesa de la mecànica clàssica es desfà i esdevé obligatòria la consideració dels fenòmens quàntics. Així, en el seu camí de miniaturització els computadors clàssics haurien de donar pas a computadors quàntics.

D'acord amb la mecànica quàntica (i, amb les teories quàntiques de camp), un sistema físic es descriu com un vector en un espai de Hilbert, una bona aproximació del qual la constitueix l'espai euclidi tridimensional. El valor del vector s'expressa en una funció d'ona que s'interpreta de forma probabilística. D'aquesta natura ondulatòria i probabilística en deriven els fenòmens d'interferència i superposició, que són la base de les conclusions anti-intuitives (anti-clàssiques) de l'epistemologia quàntica (teorema de Bell).

L'esfera de Bloch representa els estats que pot prendre un sistema quàntic de dos nivells, és a dir representa un qubit

En la lògica clàssica, un bit és la unitat mínima d'informació, un dígit binari que ha de prendre un (i únicament un) de dos valors (0, 1). En la lògica quàntica el qubit es troba en una superposició lineal d'aquests dos valors (0, 1). En mesurar el qubit obtindrem un dels dos valors: si la probabilitat d'obtindre 0 és per exemple, d'un 40%, la d'obtindre 1 serà d'un 60%. En l'esfera de Bloch els valors 0 i 1 són representats com els pols de l'esfera.

Una propietat peculiar dels qubits és l'entrellaçament quàntic, que es produeix quan els estats (0, 1) d'una sèrie de qubits es troben correlacionats de tal manera que quan d'un s'obté el valor 0, també s'obtindrà necessàriament aquest valor de tots els altres.

La teoria de la complexitat

Bona part de la discussió sobre l'aplicabilitat de les propietats quàntiques gira al voltant de la teoria de la complexitat computacional. Aquesta teoria cerca de predir pels diferents tipus de problemes computacionals els requeriments de temps i de memòria que ens caldran per resoldre'ls. En la computació clàssica, aquests dues darreres magnituds són el temps determinista i l'espai (o memòria) determinista Un problema P serà aquell del qual podrem calcular el temps determinista de resolució a través d'una funció polinòmica (temps polinòmic).

Per problemes més complexos, hom introdueix estratègies probabilístiques o, fins i tot, no-determinístiques

Un problema NP serà aquell que podrem resoldre en un temps polinòmic a través d'una computadora no-determinista.

 

Les relacions entre els problemes P i NP constitueixen de llarg la qüestió sense resoldre més important des d'un punt de mira pràctic de les matemàtiques. La polèmica per la patent de D-Wave Systems en depén en bona mesura. En particular perquè tan sols d'un subconjunt de problemes NP (els problemes NP complets) s'ha pogut demostrar que no són reduïbles a un problema P. Són aquests problemes NP complets on estratègies post-clàssiques (incloses les basades en computadores quàntiques) podrien oferir la possibilitat de calcular, si més no, el temps i la memòria necessàries per resoldre'ls

La patent de D-Wave Systems

D-Wave Systems va néixer a Vancouver el 1999 en el viver d'empreses de la University of British Columbia (UBC). És una de les promeses del sector informàtic de la Colúmbia Britànica, un estat que, emmirallat en l'exemple de Califòrnia, vol incorporar-se en el Gran Arc Tecnològic del Litoral Pacífic de Nord-amèrica. La idea inicial de D-Wave Systems era construir un processador quàntic basat en superconductors. De les variades possibilitats hom va anar descartant totes aquelles que, o bé fossin de difícil construcció, o assolissin despeses de producció que els hi barressin les portes del mercat.

Prototip del computador patentat per D-Wave Systems. Aquesta setmana era presentat al Computer History Museum, a Mountain View, Califòrnia

El novembre del 2004 el treball de Mohammad Amin i de Miles Steininger cristal·litzava en una proposta més concreta. La computadora utilitzaria una sèrie de qubits superconductors, relacionats entre ells en parelles de qubits acoblats. El sistema quàntic es trobaria en una de dues configuracions: una d'inicialització i una de problema NP complet hamiltonià. Els processos de canvi serien quasi-estàtics. En llegir els estats finals hom obtindria la solució del problema plantejat, inatacable per computadors deterministes.

El 28 de març del 2005 aquest projecte fou presentat a l'oficina nord-americana de patents (acció clau, car els Estats Units, i Califòrnia en particular, són el mercat d'elecció per aquesta mena de productes). Van haver d'esperar 1 any i 8 mesos perquè se'ls concedís la patent.

De mentres avançava la construcció del prototip, la delimitació del nombre de qubits (en setze) i la concreció del disseny. Cada qubit consisteix en una corrent elèctrica circular en un superconductor que pot prendre dos estadis quàntics no-excloents: anterògrad i retrògrad.

De cara a la presentació en societat s'hi va treballar en tres problemes pràctics:

– cerca en una base de dades de proteïnes de seqüències coincidents.

– distribució dels convidats d'unes noces.

– solució de sudokus

El prototip, amb el nom d'Orion, fou presentat el dimarts 13 de febrer del 2007 al Museu d'Història dels Computadors de Mountain View. D'ací que The Economist s'hi fes ressò i, arran d'aquest article, ho fes també bona part de la premsa mundial. I, en particular, de la premsa del Canadà.

Els advertiments de Scott Aaronson

Fou aquest ressò de la premsa el que va fer que Scott Aaronson dediqués el post de la setmana del seu blog a aquesta qüestió. Com a investigador de l'Institut de Computació Quàntica, Aaronson té por d'aquests entusiasmes per cada recerca bàsica i per cada construcció pràctica que es publica a la premsa científica o es presenta en congressos. Un excés d'entusiasme implica també un excés de desencís si la promesa s'esvaeix als pocs anys. I el desencís conduiria a retallades severes en la inversió pública i privada en aquesta recerca. És clar que les coses són més complexes, i si no s'esbomben els més mínims avenços que s'hi fan, els inversors, que ja són conscients que la cosa va per llarg, perdran un dels esperons que els impulsa a invertir-hi: la promoció de la seva imatge com a "punters" en tecnologia.

Algú pot pensar que Aaronson és una esgarriacries, que des d'Ontàrio únicament té enveja dels progressos columbians. Geordie Rose, un dels fundadors de D-Wave Systems, insisteix que el prototip compta amb just 16 qubits i que, amb aquesta mínima dotació, ja pot efectuar problemes que requeririen uns quants segons amb ordinadors clàssics de desenes de kbytes. Justament com que ara hi ha ordinadors clàssics que disposen de molta més capacitat, el prototip de D-Wave Systems, diu Aaronson, "és completament inútil des d'una perspectiva industrial".

Rose afirma que els 16 qubits actuals són únicament el principi. Que ja disposen de tecnologia per construir prototips de més capacitat i que ja han rebut ofertes de la indústria per col·laborar en aquesta construcció.

Però els arguments d'Aaronson i d'altres experts, uns optimistes i d'altres pessimistes davant del prototip Orion, no tenen a veure amb les dimensions de l'ordinador quàntic (per bé que, a més qubits, més costosos serien els dispositius de control), sinó amb l'estratègia general proposada. Per exemple, l'article de The Economist suggeria "que la superposició quàntica permet de comprovar totes les solucions en paral·lel". Aaronson aclareix que "com que tots les mesures finals de la mecànica quàntica són aleatòries, hom tan sols pot assolir una acceleració computacional si explota acuradament el fenomen de la interferència quàntica". L'article de The Economist també deixava entreveure que Orion podia resoldre problemes NP-complets en un obrir i tancar d'ulls, però Aaronson recordava que són pocs els problemes hom ja se sap com aprofitar el fenòmen de la interferència per escurçar el temps computacional. Val a dir que, si bé aquests problemes són pocs, entre ells hi ha la factorització de nombres sencers, la qual cosa podria revolucionar la criptografia RSA. Per fer-nos una idea d'això darrer: el 2001, IBM va construir una molècula-computadora de 7 qubits que podia factoritzar fins el número 15 (3·5) (Vandersypen et al., 2001).

Lligams:

Adiabatic quantum computation with superconducting qubits. Mohammad H. S. Amin, Miles F. H. Steininger. United States Patent 7,135,701

Orion's belter. The Economist, 15 de febrer del 2007

Speaking truth to parallelism. The Blog of Scott Aaronson

Quantum computing at 16 qubits. Geoff Brumfiel. Nature News.

Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.