¿La computación cuántica es solo un pastel en el cielo?

Tengo un título en informática. Trabajo en TI y lo he hecho durante muchos años. En ese período, las computadoras "clásicas" han avanzado a pasos agigantados. Ahora tengo una unidad de disco de terabytes en el cajón de mi habitación entre mis calcetines, mi teléfono tiene una potencia de procesamiento fenomenal y las computadoras han revolucionado nuestras vidas.

Pero hasta donde yo sé, la computación cuántica no ha hecho nada. Además, parece que seguirá así. La computación cuántica ha existido desde hace cuarenta años, y la computación real la ha dejado en el polvo. Vea la línea de tiempo en Wikipedia y pregúntese dónde está el sumador paralelo. ¿Dónde está el equivalente de Atlas o el MU5? Fui a la Universidad de Manchester, veo la historia en el artículo de Manchester Computers en Wikipedia. Las computadoras cuánticas no muestran un progreso similar. Al contrario, parece que ni siquiera han despegado. No comprará uno en PC World en el corto plazo.

¿Alguna vez podrás? ¿Es todo bombo y aire caliente? ¿La computación cuántica es solo un pastel en el cielo? ¿Es todo simplemente jam-mañana cortejado por charlatanes cuánticos a un público crédulo? Si no, ¿por qué no?

¿La computación cuántica es solo un pastel en el cielo?

Hasta ahora se ve de esta manera. Hemos estado buscando este pastel agresivamente durante las últimas tres décadas, pero sin mucho éxito. ahora tenemos computadoras cuánticas, pero no son el pastel que queríamos, que es una computadora cuántica que realmente puede resolver un problema más rápido o con mejor eficiencia energética que una computadora clásica.

No comprará uno en PC World en el corto plazo.

¿Alguna vez podrás?

No podemos predecir el futuro, pero si tuviera que adivinar en este momento, diría "no". Todavía no hay ninguna aplicación para la cual la computación cuántica sea lo suficientemente valiosa. En cambio, podríamos tener computadoras cuánticas en un pequeño número de institutos especiales donde se realizan cálculos muy especiales (como la supercomputadora llamada Titán en el Laboratorio Nacional Oak Ridge, o como un acelerador de partículas de ciclotrón donde se realizan experimentos especiales).

¿Es todo bombo y aire caliente?

La mayor parte es bombo, desafortunadamente.

Pero las aplicaciones en química cuántica pueden cambiar el juego. En lugar de hacer experimentos físicamente laboriosos con miles de moléculas candidatas para medicamentos o fertilizantes, podemos buscar las mejores moléculas en una computadora. Las moléculas se comportan mecánicamente cuánticamente, y simular la mecánica cuántica no es eficiente en las computadoras clásicas, pero sí en las computadoras cuánticas. Gran parte de la inversión de Google en QC es para aplicaciones químicas [ 1 ].

¿Es todo simplemente jam-mañana cortejado por charlatanes cuánticos a un público crédulo? ¿Si no, porque no?

Gran parte de esto es, desafortunadamente.

Probablemente fuiste uno de los estudiantes más talentosos de tu clase en la Universidad de Manchester. Es posible que haya notado que solo había unos pocos de ustedes y un mayor número de estudiantes mediocres y sub-mediocres. Hay un fenómeno similar a nivel de profesor. Muchos profesores no encuentran fácil o "natural" escribir propuestas de subsidio bien recibidas, pero necesitan fondos para mantener su trabajo y asegurarse de que su Ph.D. los estudiantes no tienen hambre de experimentar conferencias científicas y tener acceso al software que necesitan.

Cuando un profesor se convierte en:

• desesperado por financiación, o

• atrapado con otros problemas en la vida, como tener que cuidar a un niño con cáncer, o

• conscientes de que no harán grandes descubrimientos científicos como lo hicieron algunos científicos hace cientos de años, la vida se trata más de sobrevivir, mantener una familia feliz y hacer lo que disfrutan en lugar de hacer un mundo mejor para los nietos de sus nietos. Como profesor, puedo decirle que muchos de mis colegas no son tan "nobles" como el público a menudo percibe que los científicos lo son.

Conozco alrededor de 1000 personas con fondos para trabajar en computación cuántica, y ninguna parece tener malas intenciones de engañar a un "público crédulo" de alguna manera siniestra. La mayoría de nosotros solo solicitamos subvenciones disponibles a través de nuestras universidades o de nuestros gobiernos, y no pretendemos exagerar la importancia de nuestro trabajo más que otros científicos que compiten por el mismo dinero (tenemos que competir con físicos moleculares que fingen su trabajo). es importante para solucionar el cambio climático solo porque la molécula en la que están trabajando está en nuestra atmósfera, o biofísicos que fingen que su trabajo podría curar el cáncer solo porque están trabajando en una molécula que es prominente en el cuerpo).

Gran parte del "bombo" en torno a la computación cuántica proviene de los medios. Los periodistas han torcido el contenido de mis documentos para hacer titulares llamativos que obtendrán más clics en sus anuncios, y sus jefes les presionan para hacer esto o perderán su trabajo para el otro interno que no le importa tanto sobre ser honesto

Algunas de las exageraciones provienen de los propios científicos, muchos de los cuales realmente creen que la computación cuántica será revolucionaria porque su Ph.D. El supervisor no tenía una buena educación (recuerde que la Universidad de Manchester es una de las mejores del mundo, y que la mayoría de las universidades ni siquiera están cerca), o tal vez en casos raros hay exageraciones de personas desesperadas por financiación, pero no mucho por razones aparte de estos

Creo que el público debería invertir un poco en computación cuántica, como lo hacen para muchas otras áreas de investigación que no tienen resultados positivos garantizados. La publicidad a menudo es exagerada por periodistas, científicos ignorantes o científicos no ignorantes que piensan que la necesitan para sobrevivir. También hay críticas injustamente duras de periodistas y agencias de financiación.

Nada de lo que dijiste en tu pregunta está mal.
Acabo de dar algunas razones por las cuales son correctas.

Trataré de abordar esto desde un punto de vista neutral. Su pregunta está "basada en la opinión", pero aún así, hay algunos puntos importantes que hacer. Teóricamente , no hay un argumento convincente (todavía) sobre por qué las computadoras cuánticas no son prácticamente realizables. Pero revise: Cómo fallan las computadoras cuánticas: códigos cuánticos, correlaciones en sistemas físicos y acumulación de ruido - Gil Kalai , y la publicación de blog relacionada de Scott Aaronson donde proporciona algunos argumentos convincentes contra las afirmaciones de Kalai. Además, lea la respuesta de James Wotton a la publicación QCSE relacionada: ¿Es el argumento de Gil Kalai contra las computadoras cuánticas topológicas?

Math Overflow tiene un gran resumen: sobre argumentos matemáticos contra la computación cuántica .

Sin embargo, sí, por supuesto, hay problemas de ingeniería .

Problemas (adaptado de arXiv: cs / 0602096 ):

• Sensibilidad a la interacción con el entorno: las computadoras cuánticas son extremadamente sensibles a la interacción con el entorno, ya que cualquier interacción (o medición) conduce a un colapso de la función de estado. Este fenómeno se llama decoherencia. Es extremadamente difícil aislar un sistema cuántico, especialmente uno diseñado para un cálculo, sin que se enrede con el entorno. Cuanto mayor sea el número de qubits, más difícil será mantener la coherencia.

  [Lectura adicional: Wikipedia: decoherencia cuántica ]

• Acciones de puerta cuántica poco fiables: el cálculo cuántico en qubits se logra operando sobre ellas con una serie de transformaciones que se implementan en principio usando puertas pequeñas. Es imperativo que no se introduzcan errores de fase en estas transformaciones. Pero es probable que los esquemas prácticos introduzcan tales errores. También es posible que el registro cuántico ya esté enredado con el entorno incluso antes del comienzo del cálculo. Además, la incertidumbre en la fase inicial hace que la operación de calibración por rotación sea inadecuada. Además, uno debe considerar la relativa falta de precisión en el control clásico que implementa las transformaciones de la matriz. Esta falta de precisión no puede ser completamente compensada por el algoritmo cuántico.

• Errores y su corrección: la corrección de errores clásica emplea redundancia. La forma más simple es almacenar la información varias veces y, si luego se descubre que estas copias no están de acuerdo, simplemente tome un voto mayoritario; Por ejemplo, supongamos que copiamos un poco tres veces. Supongamos además que un error ruidoso corrompe el estado de tres bits de modo que un bit es igual a cero pero los otros dos son iguales a uno. Si suponemos que los errores ruidosos son independientes y ocurren con cierta probabilidad$p$, lo más probable es que el error sea un error de un solo bit y el mensaje transmitido sea tres. Es posible que ocurra un error de doble bit y el mensaje transmitido sea igual a tres ceros, pero este resultado es menos probable que el resultado anterior. No es posible copiar información cuántica debido al teorema de no clonación. Este teorema parece presentar un obstáculo para formular una teoría de corrección de errores cuánticos. Pero es posible difundir la información de un qubit en un estado altamente entrelazado de varios qubits (físicos). Peter Shor descubrió por primera vez este método de formular un código de corrección de error cuántico almacenando la información de un qubit en un estado altamente entrelazado de nueve qubits. Sin embargo, los códigos de corrección de errores cuánticos protegen la información cuántica contra errores de solo algunas formas limitadas. También, son eficientes solo para errores en un pequeño número de qubits. Además, la cantidad de qubits necesarios para corregir errores normalmente no se escala bien con la cantidad de qubits en los que se produce el error.

  [Lectura adicional: Wikipedia: corrección de error cuántico ]

• Restricciones en la preparación del estado: la preparación del estado es el primer paso esencial a considerar antes del comienzo de cualquier cálculo cuántico. En la mayoría de los esquemas, los qubits deben estar en un estado de superposición particular para que el cálculo cuántico proceda correctamente. Pero crear estados arbitrarios con precisión puede ser exponencialmente difícil (tanto en el tiempo como en la complejidad de los recursos (puerta)).

• Información cuántica, incertidumbre y entropía de las puertas cuánticas: la información clásica es fácil de obtener mediante la interacción con el sistema. Por otro lado, la imposibilidad de clonar significa que no se puede determinar ningún estado específico desconocido. Esto significa que, a menos que el sistema se haya preparado específicamente, nuestra capacidad para controlarlo sigue siendo limitada. La información promedio de un sistema viene dada por su entropía. La determinación de la entropía dependería de las estadísticas obedecidas por el objeto.

• Un requisito para las bajas temperaturas : varias arquitecturas de computación cuántica como la computación cuántica superconductora requieren temperaturas extremadamente bajas (cercanas al cero absoluto) para funcionar.

Progreso:

• Hace aproximadamente una década y media, el tiempo de decoherencia para las llamadas "computadoras cuánticas" era inferior a 1 nanosegundo. Ahora, la versión de qubit de IBM Quantum Experience 16 a la que puede acceder en línea tiene un tiempo de decoherencia de ~ 100 μs (consulte: Demostración de aprendizaje de invariabilidad y paridad en el procesador IBM 16 Qubit (Davide Ferrari y Michele Amoretti, 2018) ). ¡El tiempo de decoherencia de 100 μs es suficiente para ejecutar algoritmos cuánticos simples ya! Puede comprobarlo usted mismo en las computadoras cuánticas de 5 qubit y 16 qubit a las que IBM ha hecho accesible en línea. Creo que Google ha podido lograr tiempos de decoherencia aún mejores con sus chips superconductores (que tienen un número equivalente de qubits).

  • Ha habido muchas mejoras en el área de corrección de errores cuánticos en la última década (que requiere un número mucho menor de qubits totales). Consulte Corrección de errores cuánticos para memorias cuánticas (Terhal, 2015) para una breve revisión.

  También, citando: Wikipedia: Corrección de error cuántico - Realización experimental :

  Ha habido varias realizaciones experimentales de códigos basados ​​en CSS. La primera demostración fue con qubits de RMN. Posteriormente, se han realizado demostraciones con óptica lineal, iones atrapados y qubits superconductores (transmon). También se han implementado otros códigos de corrección de errores, como uno destinado a corregir la pérdida de fotones, la fuente de error dominante en los esquemas de qubit fotónicos.

  • La preparación de estados cuánticos arbitrarios sigue siendo un problema importante. Pero ahora al menos sabemos la descomposición exacta de la compuerta para cualquier evolución unitaria ( preparación de estado cuántico con descomposiciones de compuerta universales (Plesch y Brukner, 2011) ), aunque el número de compuertas no suele escalar bien con varios qubits. Ha habido mejoras adicionales como en la preparación del estado cuántico de alta fidelidad utilizando el control óptimo vecino (Yuchen Peng y Frank Gaitan, 2017) . Para algunos otros métodos de preparación de estado de alta precisión desarrollados recientemente, ver La preparación de estados en mecánica cuántica (Fröhlich, 2016) y Preparación del estado cuántico (Ali et al., 2017) .

  • Una de las principales limitaciones que todavía tenemos es el número de qubits (tenga en cuenta que este problema está intrínsecamente relacionado con la dificultad de mantener la coherencia durante largos períodos de tiempo, consulte el gato de Schrödinger y la dificultad del estado de superposición macroscópica y la excelente respuesta). Ninguna de las computadoras cuánticas actuales es suficiente para mostrar una mejora considerable en la "capacidad" en comparación con las computadoras clásicas. El mayor número factorizado por una computadora cuántica hasta la fecha es 291311 ( Computación cuántica adiabática de alta fidelidad utilizando el Hamiltoniano intrínseco de un sistema de espín: Aplicación a la factorización experimental de 291311 (Li et al., 2017)) La factorización de fuerza bruta de 291311 toma como máximo ~ 270 divisiones, cada una de las cuales toma ~ 10 ns en las CPU modernas. Son 3 en total, lo que implica que la factorización será varios órdenes de magnitud más rápido en su computadora portátil. La mejora práctica en la complejidad del tiempo no se notará a menos y hasta que el número de qubits aumente al menos 10 veces más o menos (no estoy considerando las máquinas D-Wave que tienen más de 1000 qubits, ya que usan un mecanismo diferente conocido como recocido cuántico que es efectivo solo en unos pocos rangos estrechos de problemas). Pero, posiblemente, el número de qubits está en constante aumento. Recientemente, Google anunció una máquina de 72 qubits ( blog de Google AI: una vista previa de Bristlecone, el nuevo procesador cuántico de Google ) e Intel anunció un chip de 49 qubits (IEEE Spectrum :: CES 2018: Disparos de chip de 49 Qubit de Intel para la supremacía cuántica ). ¡Compare eso con la década de 2000 cuando solo teníamos un número de qubits de un solo dígito!

  • Se han descubierto varias arquitecturas de computación cuántica en las últimas dos décadas, para las cuales no son necesarias temperaturas cercanas al cero absoluto , por ejemplo, computadoras cuánticas ópticas, computadoras cuánticas de iones atrapados, computadoras cuánticas basadas en diamantes, etc. ¿Por qué las computadoras cuánticas ópticas no tienen que mantenerse cerca del cero absoluto mientras que las computadoras cuánticas superconductoras sí?

Conclusión:

Si alguna vez tendremos computadoras cuánticas eficientes que puedan superar visiblemente a las computadoras clásicas en ciertas áreas, es algo que solo el tiempo dirá. Sin embargo, al observar el considerable progreso que hemos estado haciendo, probablemente no sería un error decir que en un par de décadas deberíamos tener computadoras cuánticas suficientemente potentes. Sin embargo, desde el punto de vista teórico, todavía no sabemos si existen algoritmos clásicos (que pueden) que coincidan con los algoritmos cuánticos en términos de complejidad temporal. Vea mi respuesta anterior sobre este problema. ¡Desde una perspectiva completamente teórica, también sería extremadamente interesante si alguien puede probar que todos los problemas de BQP se encuentran en BPP o P!

Personalmente, creo que en las próximas décadas usaremos una combinación de técnicas de computación cuántica y técnicas de computación clásicas (es decir, su PC tendrá componentes de hardware clásicos y hardware cuántico o la computación cuántica estará totalmente basada en la nube y usted solo accederé en línea desde computadoras clásicas). Porque recuerde que las computadoras cuánticas son eficientes solo para una gama muy limitada de problemas. Sería bastante intensivo en recursos e imprudente hacer una adición como 2 + 3 usando una computadora cuántica (consulte ¿Cómo hace una computadora cuántica las matemáticas básicas a nivel de hardware? ).

Ahora, llegando a su punto de si los fondos nacionales se desperdician innecesariamente al tratar de construir computadoras cuánticas . Mi respuesta es NO ! Incluso si no podemos construir computadoras cuánticas legítimas y eficientes, habremos ganado mucho en términos de progreso de ingeniería y progreso científico . La investigación en fotónica y superconductores ya se ha multiplicado y estamos comenzando a comprender muchos fenómenos físicos mejor que nunca. Además, la teoría de la información cuántica y la criptografía cuántica han llevado al descubrimiento de unos pocos resultados matemáticos y técnicas que también pueden ser útiles en muchas otras áreas (cf.Física SE: áreas matemáticamente desafiantes en la teoría de la información cuántica y la criptografía cuántica ). También habremos entendido mucho más sobre algunos de los problemas más difíciles en la informática teórica para ese momento (incluso si no logramos construir una "computadora cuántica").

Fuentes y referencias:

1. Dificultades en la implementación de computadoras cuánticas (Ponnath, 2006)

2. Wikipedia: computación cuántica

3. Wikipedia: corrección de errores cuánticos

Apéndice:

Después de un poco de búsqueda, encontré un artículo muy agradable que describe casi todos los contraargumentos de Scott Aaronson contra el escepticismo de la computación cuántica. Recomiendo encarecidamente pasar por todos los puntos dados allí. En realidad, es la parte 14 de las notas de conferencia publicadas por Aaronson en su sitio web. Fueron utilizados para el curso PHYS771 en la Universidad de Waterloo. Las notas de las conferencias se basan en su popular libro de texto Quantum Computing Since Democritus .

La computación clásica ha existido por más tiempo que la computación cuántica. Los primeros días de la informática clásica es similar a lo que estamos experimentando ahora con la informática cuántica. los Z3 (primer dispositivo electrónico completo de Turing) construido en la década de 1940 era del tamaño de una habitación y menos potente que su teléfono. Esto habla del progreso fenomenal que hemos experimentado en la informática clásica.

El amanecer de la computación cuántica, por otro lado, no comenzó hasta la década de 1980 . Algoritmo de factorización de Shor; El descubrimiento que inició el campo fue descubierto en la década de 1990 . Esto fue seguido unos años más tarde con la primera demostración experimental de un algoritmo cuántico.

Hay evidencia de que las computadoras cuánticas pueden funcionar. Hay un progreso enorme en los aspectos experimentales y teóricos de este campo cada año y no hay razón para creer que se va a detener. los teorema del umbral cuántico establece que la computación cuántica a gran escala es posible si las tasas de error para puertas físicas están por debajo de un cierto umbral. Nos estamos acercando (algunos argumentan que ya estamos allí) a este umbral para sistemas pequeños.

Es bueno ser escéptico sobre la utilidad de la computación cuántica. De hecho, se recomienda! También es natural comparar el progreso de la computación cuántica con la computación clásica; olvidando que las computadoras cuánticas son más difíciles de construir que las computadoras clásicas.

Las primeras computadoras clásicas se construyeron con la tecnología existente. Por ejemplo, los tubos de vacío se inventaron alrededor de cuatro décadas antes de que se usaran para hacer Coloso.

Para las computadoras cuánticas, necesitamos inventar la tecnología antes de hacer la computadora. Y la tecnología está más allá de lo que había existido anteriormente, que solo este paso ha tomado algunas décadas.

Ahora tenemos nuestras versiones cuánticas de tubos de vacío. Así que espera un coloso en una década más o menos.

TL, DR: Ya se han hecho argumentos de ingeniería y física. Agrego una perspectiva histórica: sostengo que el campo de la computación cuántica tiene realmente solo un poco más de dos décadas y que nos llevó más de tres décadas construir algo como el MU5.

Como mencionas la línea de tiempo, echemos un vistazo más de cerca:

Los inicios

En primer lugar, Richard Feynman expresó la posibilidad de algo así como una computadora cuántica en el oeste (1959 o 1981 si lo desea) y Yuri Manin en el este (1980). Pero eso es solo tener una idea. No se inicia la implementación.

¿Cuándo sucedieron cosas similares con la informática clásica? Bueno, hace mucho tiempo. Charles Babbage, por ejemplo, ya quería construir máquinas informáticas a principios del siglo XIX y ya tenía ideas. Pascal, Leibniz, todos tenían ideas. La máquina analítica de Babbage de 1837 que nunca se construyó debido a problemas de financiación e ingeniería (por cierto, el precursor de la máquina analítica se construyó con Lego ) es definitivamente la primera idea más reciente que ya está muy por delante de lo que Feynman y Manin propusieron. computación cuántica, porque propone una implementación concreta.

Los años 70 no ven nada relacionado con una computadora cuántica. Se inventan algunos códigos, se realiza una base teórica (¿cuánta información se puede almacenar?), Lo cual es necesario para el control de calidad, pero en realidad no persigue la idea de la computadora cuántica.

Los códigos y las ideas relacionadas con la comunicación son para la computación cuántica lo que los teléfonos y los cables telegráficos son para la computación clásica: un precursor importante, pero no una computadora. Como saben, los códigos Morse y los telégrafos son tecnologías del siglo XIX y también se estudiaron códigos más difíciles para canales ruidosos. La base matemática (en términos de no-go-teoremas y similares) fue realizada en 1948 por Shannon.

De todos modos, se puede argumentar que la informática de tarjetas perforadas se desarrolló en 1804 para tejer , pero no quiero afirmar que este fue realmente el comienzo de la computación clásica.

Computadoras universales (cuánticas)

Entonces, ¿cuándo comenzó el cálculo? Voy a argumentar que necesita una serie de cosas para que la investigación para la computación universal despegue; antes de eso, el número de personas y dinero invertido allí será limitado.

1. Necesita la noción de una computadora universal y un modelo teórico de qué lograr.
2. Necesita una arquitectura de cómo implementar una computadora universal, en un nivel teórico.
3. Necesita un sistema de la vida real donde pueda implementarlo.

¿Cuándo los obtenemos en computación cuántica?

• Deutsch describe la computadora cuántica universal en 1985 (hace 33 años).
• Los modelos de circuito y las puertas se desarrollan al mismo tiempo.
• El primer modelo completo de cómo armar todo fue propuesto por Cirac y Zoller en 1994 (hace apenas 24 años).

Todos los otros avances en la computación cuántica antes o durante ese tiempo se limitaron a la criptografía, los sistemas cuánticos en general u otra teoría general.

¿Qué pasa con la computación clásica?

• Tenemos el trabajo de Turing en máquinas de Turing (1936) o el trabajo de Church (mismo marco de tiempo).
• Las arquitecturas modernas se basan en el modelo de von Neumann (1945); existen otras arquitecturas
• Como modelo, el modelo de circuito digital fue diseñado en 1937 por Shannon.

Entonces, en 1994 estamos en un estado comparable al de 1937:

• Hay algunas personas que hacen el trabajo preliminar teórico, y el trabajo preliminar ya está hecho.
• Hay un buen número de personas que realizan trabajos de ingeniería en cuestiones fundamentales que no están directamente relacionadas pero que son muy útiles para construir una computadora (cuántica).
• Y el campo generalmente no es tan grande y está bien financiado.
• Pero: a partir de esa fecha, los fondos y las personas comienzan a llegar al campo.

El campo está despegando

Para la informática clásica, esto se ilustra por la cantidad de diferentes "primeros sistemas informáticos" en la línea de tiempo de Wikipedia. Hubo varios grupos de investigación al menos en Alemania, Inglaterra y los Estados Unidos en varios lugares (por ejemplo, Manchester y Bletchley Park en el Reino Unido, por nombrar solo algunos). El dinero en tiempo de guerra se desvió a la informática porque era necesario, por ejemplo, para el desarrollo de la bomba nuclear (ver cuentas en Los Alamos).

Para el cálculo cuántico, vea, por ejemplo, este comentario :

El campo de QIS comenzó un crecimiento explosivo a principios y mediados de la década de 1990 como consecuencia de varios estímulos simultáneos: Peter Shor demostró que una computadora cuántica podía factorizar números muy grandes de manera súper eficiente. La industria de los semiconductores se dio cuenta de que la mejora de las computadoras de acuerdo con la ley de Moore llegaría demasiado pronto al límite cuántico, lo que requeriría cambios radicales en la tecnología. Los desarrollos en las ciencias físicas produjeron iones atómicos atrapados, cavidades ópticas avanzadas, puntos cuánticos y muchos otros avances que hicieron posible contemplar la construcción de dispositivos lógicos cuánticos viables. Además, la necesidad de comunicaciones seguras impulsó las investigaciones de esquemas de comunicación cuántica que serían a prueba de manipulaciones.

En general, desde el momento en que las bases teóricas de las computadoras modernas se establecieron hasta el momento en que las primeras computadoras están disponibles (Zuse 1941, Manchester 1948, por nombrar solo dos) tomó aproximadamente una década. Del mismo modo, los primeros sistemas tardaron aproximadamente una década en hacer algún tipo de cálculo universalmente programable con sistemas cuánticos. Por supuesto, sus capacidades son más bajas que las primeras computadoras Manchester, pero aún así.

Veinte años después, vemos lentamente un crecimiento explosivo en tecnología y muchas empresas se involucran. También vemos la llegada de nuevas tecnologías como el transistor (descubierto por primera vez en 1947).

Del mismo modo, 20 años después del comienzo de la computación cuántica, vemos la seria entrada de empresas privadas en el campo, con Google, IBM, Intel y muchas otras. Cuando estaba en mi primera conferencia en 2012, su participación aún era académica, hoy es estratégica. Del mismo modo, vimos una propuesta de una gran cantidad de diferentes sistemas de computación cuántica durante la década de 2000, como qubits superconductores, que forman la base de los chips más avanzados de las tres compañías mencionadas anteriormente. En 2012, nadie podría afirmar tener un sistema algo confiable con más de un par de qubits físicos. Hoy, solo seis años después, IBM te permite jugar con sus 16 qubits muy confiables (5 si realmente solo quieres jugar) y Google afirma probar un sistema de 72 qubits mientras hablamos.

Sí, todavía tenemos un camino por recorrer para tener una computadora cuántica confiable a gran escala con capacidades de corrección de errores, y las computadoras que tenemos actualmente son más débiles que las computadoras clásicas que teníamos en los años 60, pero yo (como otros explican en otras respuestas) creen que esto se debe a los desafíos únicos de ingeniería. Existe una pequeña posibilidad de que se deba a limitaciones físicas de las que no tenemos idea, pero si lo es, dado el progreso actual, deberíamos saberlo en un par de años a más tardar.

¿Cuál es mi punto aquí?

• Argumenté que la razón por la que aún no vemos una computadora cuántica MU5 también se debe al hecho de que el campo aún no es tan antiguo y que no ha recibido tanta atención hasta hace poco.
• Sostengo que desde una perspectiva actual, parecía que las computadoras clásicas se volvieron muy buenas muy rápidamente, pero que esto descuida décadas de trabajo previo donde el desarrollo y el crecimiento no parecían tan rápidos.
• Sostengo que si crees (como casi todo el mundo en el campo) que los problemas iniciales de ingeniería que enfrentan las computadoras cuánticas son más difíciles que los que enfrentan las computadoras clásicas, entonces ves una trayectoria de investigación e innovación muy comparable a una de las computadoras clásicas . Por supuesto, son algo diferentes, pero las ideas básicas de cómo funciona son similares.

Para responder parte de la pregunta, "¿alguna vez compraré una computadora cuántica", etc. Creo que hay un malentendido fundamental.

La computación cuántica no es solo computación clásica sino más rápida. Una computadora cuántica resuelve ciertos tipos de problemas en poco tiempo, lo que llevaría una súper computadora clásica mil años. Esto no es una exageración. Pero los tipos regulares de computación, sumar números, mover bits para gráficos, etc. Esos seguirán siendo elementos informáticos clásicos.

Si la tecnología pudiera ser miniaturizada (no lo sé), podría ser algo más como una MMU o una tarjeta gráfica. Una característica adicional para su computadora clásica, no un reemplazo. De la misma manera, una tarjeta gráfica de alta gama le permite a su computadora hacer cosas que no podría (en un tiempo razonable) con la CPU principal, una computadora cuántica permitiría otro tipo de operaciones que no se pueden hacer actualmente.

Le recomiendo que al menos lea el primer párrafo de la página " Principios de funcionamiento " en la página de Wikipedia sobre computación cuántica.

Cuando preguntas si es un pastel en el cielo, eso depende de las promesas que creas que las tecnologías cuánticas están tratando de cumplir. Y eso depende de quién haga la gente esas promesas.

Considere por qué incluso conoce la computación cuántica, dado que aún no ha logrado producir ningún dispositivo (o para ser más justos, no hay muchos dispositivos ) que se parezcan a hardware de computadora muscular. ¿De dónde escuchas, de dónde viene la emoción? Estoy dispuesto a apostar que, incluso si asiste a todas las charlas académicas sobre computación cuántica que puede manejar personalmente, no mucho de lo que escucha sobre computación cuántica proviene de los académicos. Lo más probable es que escuche mucho sobre computación cuántica de fuentes que están más interesadas en la emoción que en los hechos.

Hay algunas fuentes corporativas que están haciendo afirmaciones más o menos grandiosas sobre lo que su hardware cuántico puede hacer o podrá hacer; y ha habido por más de una década. Mientras tanto, hay una gran comunidad de personas que simplemente han estado tratando de hacer un progreso cuidadoso y no gastar demasiado de su energía haciendo promesas que no pueden cumplir. ¿De quién habrás escuchado más?

Pero incluso concediéndolas, las partes más responsables de la emoción sobre la computación cuántica son ciertos tipos de revistas y sitios web de intereses especiales, que como fuentes de información son como vendedores de gofres de mercado: comercian mucho con aromas dulces y vaporosos en lugar de algo con sustancia y mordida. La industria publicitaria que busca la atención, en lugar de la academia, es la razón principal por la cual hay expectativas tan infladas de computación cuántica. En principio, ni siquiera se preocupan por la computación cuántica: es uno de varios encantamientos mágicos con los que sorprender a la multitud, evocar sueños de pastel en el cielo y, mientras tanto, ganar dinero de otra compañía por la mera posibilidad de que se vio un anuncio durante medio segundo.EseLa industria se dedica principalmente a la venta de pasteles aéreos, tanto a sus clientes como a su público. ¿Pero eso significa que al mundo le deben rollos de higos voladores aquellos que realmente están trabajando en tecnologías cuánticas? Ya es bastante difícil lograr las cosas que creemos que podrían ser posibles, que son más modestas, pero aún así valen la pena.

Entre mis colegas académicos (informáticos teóricos y físicos teóricos), la información errónea evidente sobre la computación cuántica entre el público es una fuente de frustración significativa. La mayoría de nosotros cree que será posible construir una computadora cuántica, y la mayoría de los que también creen que tendrá un impacto económico significativo. Pero ninguno de nosotros espera que ponga el mundo patas arriba en cinco o diez años, ni hemos esperado que en ninguno de los últimos quince años haya comenzado a ponerse de moda decir que tendríamos computadoras cuánticas masivas "en cinco a diez años ". Siempre he dicho que espero ver los impactos en mi vida, y la actividad reciente me ha hecho esperar verlo dentro de veinte, pero incluso así no irás a la tienda a comprar uno,

Tampoco ninguno de nosotros espera que le permita resolver fácilmente el problema del vendedor ambulante o similar. Ser capaz de analizar problemas en la química cuántica y los materiales cuánticos es la aplicación original y, a corto plazo, la mejor y prospectiva de la computación cuántica, y puede ser revolucionaria allí; y quizás a largo plazo podamos proporcionar mejoras sólidas y significativas en la práctica para problemas de optimización. (D-Wave afirma que ya pueden hacer esto en la práctica con sus máquinas: el jurado aún no sabe si los académicos están justificados).

El problema es que, para explicar lo que realmente puede esperar de la teoría y el desarrollo de la computación cuántica, debe explicar de alguna manera un poco la mecánica cuántica. Esto no es algo fácil de hacer, y como con cualquier cosa complicada, hay poca paciencia en el mundo más amplio para la comprensión matizada, especialmente cuando los "hechos alternativos" en forma de bombo 'yakawow' con sabor a caramelo se pasean poderosamente en siete botas de liga.

La verdad, sobre lo que puede hacer la computación cuántica, y que probablemente no le permitirá teletransportarse a todo el mundo, ni resolver el hambre mundial o el caos de las aerolíneas de un solo golpe, es aburrida. Pero lograr avances significativos en química y ciencia de materiales no lo es. Sin mencionar las aplicaciones aún no desarrolladas: ¿con qué facilidad se puede extrapolar de las computadoras basadas en engranajes para ayudar a calcular de manera confiable los impuestos o las tablas de logaritmos para diseñar aviones ?

La línea de tiempo de la tecnología informática clásica se extiende mucho antes incluso del siglo XIX. Tenemos una idea de cómo tratar de volver a recorrer este camino con tecnologías cuánticas, y tenemos una idea de los tipos de dividendos que pueden ser posibles si lo hacemos. Por esa razón, esperamos reproducir el desarrollo de tecnología informática útil en un tiempo mucho más rápido que los más de 370 años desde los sumadores de Pascal hasta la actualidad. Pero no va a ser tan rápido como algunas personas han sido prometedoras, particularmente aquellas personas que en realidad no son responsables de cumplir esas 'promesas'.

Algunas observaciones

" ¿Dónde está la víbora paralela? "

• No tenemos dispositivos grandes que realicen la suma mediante computadoras cuánticas, pero tenemos algunas personas que trabajan en circuitos de adición rápida en computadoras cuánticas; parte de lo que tendrán que hacer las computadoras cuánticas implicaría operaciones más convencionales sobre datos en superposición.

" ¿Dónde está el equivalente de Atlas, o el MU5? "

• Para ser sincero, todavía estamos trabajando en el primer análogo cuántico confiable del sumador de Pascal. Tengo la esperanza de que el enfoque del proyecto NQIT (divulgación: estoy involucrado en él, pero no como un experimentalista) de hacer módulos pequeños y de alta calidad que puedan intercambiar entrelazados será una ruta hacia el escalado rápido a través de la producción en masa de los módulos, en cuyo caso podríamos pasar de la sumadora de Pascal, al Collosus, al Atlas, y más allá en cuestión de unos pocos años. Pero solo el tiempo lo dirá.

" Parece que ni siquiera han despegado. No comprarás uno en PC World en el corto plazo " .

• Eso es perfectamente cierto. Sin embargo, si alguna vez le dijeron que esperara lo contrario, es más probable que sea culpa de PC World (o para ser justos, los competidores de PC World en el mercado por su dinero de suscripción como entusiasta de la tecnología) que el nuestro. Cualquier investigador responsable le diría que nos esforzamos por hacer los primeros dispositivos prototipos serios.

" ¿Alguna vez podrás [comprar una computadora cuántica en PC World]? "

• ¿Alguna vez podrás comprar un Cray en PC World? Te gustaria Tal vez no. Pero su universidad puede querer, y las empresas serias pueden querer. Más allá de eso está la especulación salvaje: no veo cómo una computadora cuántica mejoraría el procesamiento de textos. Pero, de nuevo, dudo que Babbage haya imaginado que algo similar a su motor de diferencia se utilizaría para componer cartas.

TL; DR : He estado trabajando en la teoría de las computadoras cuánticas durante aproximadamente 15 años. No he visto nada convincente para decir que no funcionarán. Por supuesto, la única prueba real de que pueden funcionar es hacer uno. Está sucediendo ahora. Sin embargo, lo que hará una computadora cuántica y por qué queremos que no coincida con la percepción pública.

¿La computación cuántica es solo un pastel en el cielo? ¿Es todo simplemente jam-mañana cortejado por charlatanes cuánticos a un público crédulo?

Como un "quack quack" (gracias por eso), por supuesto que voy a decirte que todo es realista. Pero la teoría es sólida. Mientras la mecánica cuántica sea correcta, la teoría de la computación cuántica es correcta y existen algoritmos eficientes para las computadoras cuánticas para los cuales no sabemos cómo calcular eficientemente la solución en una computadora clásica. Pero no creo que nada de lo que escribo aquí pueda convencer a un escéptico. O bien, debe sentarse y aprender todos los detalles usted mismo, o esperar y ver.

Por supuesto, la mecánica cuántica es solo una teoría que podría ser reemplazada en cualquier momento, pero sus predicciones ya se han aplicado para explicar el mundo que nos rodea. Las computadoras cuánticas no están empujando la teoría a un régimen no probado donde podríamos esperar que haya resultados inesperados (que es lo que los físicos realmente esperan, porque ahí es donde comienzas a ver pistas sobre la nueva física). Por ejemplo, la mecánica cuántica ya se aplica a los sistemas de materia condensada que consisten en muchos más componentes de los que estamos hablando de qubits en una computadora cuántica a corto plazo. Es solo que necesitamos un nivel de control sin precedentes sobre ellos. Algunas personas piensan que tienen argumentos de por qué una computadora cuántica no funcionará, pero no he encontrado nada particularmente convincente en los argumentos que he leído.

¿Es todo bombo y aire caliente?

Hay mucha publicidad alrededor de las computadoras cuánticas. Yo diría que esto proviene de dos fuentes principales:

• La representación popular de la computación cuántica en los principales medios de comunicación y la cultura popular (por ejemplo, libros de ciencia ficción). Pregúntele a cualquiera que trabaje activamente en computación cuántica, creo que todos estarán de acuerdo en que está mal representado, dando la impresión de que es una solución universal que hará que todo funcione más rápido, lo cual, al menos por ahora, no es el caso. Ha habido un cortejo del mañana para un público crédulo, pero eso es más a través de un intento de "pérdida de traducción" para simplificar demasiado lo que está sucediendo, principalmente por intermediarios no especializados.

• investigadores mismos. Durante los últimos 20 (ish) años, la gente ha prometido que la computación cuántica está por venir y nunca se materializó del todo. Es bastante razonable que los observadores se cansen de eso en ese momento. Sin embargo, mi perspectiva desde el campo es que muchas personas que afirman estar trabajando hacia computadoras cuánticas no lo han hecho. A medida que los organismos de financiación se han vuelto cada vez más exigentes con el "por qué" para la investigación y para garantizar el "impacto", la computación cuántica se ha convertido en la opción para muchos experimentadores, incluso si no están realmente interesados ​​en hacer algo por una computadora cuántica. Si ha habido alguna forma de que puedan torcer lo que están haciendo para que parezca relevante para la computación cuántica, han tendido a hacerlo. No significa que la computación cuántica pueda ' t hecho, simplemente no se ha enfocado tanto como se ha implicado. Tomemos, en un nivel ligeramente diferente, la explosión de la teoría de la información cuántica. Tan pocos teóricos que han trabajado activamente en la teoría de las computadoras cuánticas y cómo hacer que funcionen (eso no quiere decir que no hayan estado haciendo cosas interesantes).

Sin embargo, ahora estamos llegando a una masa crítica donde de repente hay una gran inversión en investigación para hacer que las computadoras cuánticas y la tecnología asociada, una realidad, y las cosas estén comenzando a moverse. Parece que estamos llegando al punto, con dispositivos de aproximadamente 50 qubits, de que podríamos ser capaces de lograr la "supremacía cuántica", realizando cálculos cuyos resultados realmente no podemos verificar en una computadora clásica. Parte del problema para lograr esto ha sido el rápido progreso antes mencionado de la informática clásica. Dado el tipo de progreso de la Ley de Moore, que produce una potencia computacional clásica que mejora exponencialmente, ha sido una barra en constante cambio de lo que debemos lograr para ser convincentes.

Las computadoras cuánticas no muestran un progreso similar. Al contrario, parece que ni siquiera han despegado.

El punto es que es difícil de hacer y ha tomado mucho tiempo obtener la tecnología básica correcta. Esta es una comparación ligeramente imperfecta, pero no está mal: piense en los procesos de litografía que se utilizan para hacer procesadores. Su desarrollo ha sido progresivo, produciendo transistores cada vez más pequeños, pero el progreso se ha ralentizado a medida que se hace cada vez más difícil lidiar, por ejemplo, con los efectos cuánticos que se interponen en el camino. Las computadoras cuánticas, por otro lado, esencialmente están tratando de superar esa mejora progresiva y saltar directamente al resultado final y final: transistores de un solo átomo (más o menos). ¿Quizás eso da algún nivel de comprensión de lo que los experimentadores están tratando de manejar?

No comprará uno en PC World en el corto plazo. ¿Alguna vez podrás?

No está claro que incluso quieras hacerlo. Por el momento, esperamos que las computadoras cuánticas sean útiles para ciertas tareas muy específicas. En ese caso, tal vez prevemos unas pocas computadoras cuánticas centralizadas poderosas que realicen esos trabajos específicos, y la mayoría de las personas continuarán con las computadoras clásicas. Pero, dado que desea establecer analogías con el desarrollo de las computadoras clásicas, (según Wikipedia) es en 1946 que Sir Charles Darwin (nieto del famoso naturalista), jefe del Laboratorio Nacional de Física de Gran Bretaña, escribió:

es muy posible que ... una máquina sea suficiente para resolver todos los problemas que se le exigen a todo el país

(Las variantes de esto se atribuyen a personas como Watson). Esto claramente no es el caso. La realidad era que una vez que las computadoras estuvieron ampliamente disponibles, se encontraron usos adicionales para ellas. Que podría ser el mismo para los ordenadores cuánticos, no sé. Una de las otras razones por las que no compraría una computadora cuántica en una tienda es su tamaño. Bueno, los dispositivos reales suelen ser pequeños, pero es todo el equipo de interfaz y, especialmente, la refrigeración que ocupa todo el espacio. A medida que la tecnología mejore, podrá operar a temperaturas progresivamente más altas (observe, por ejemplo, el progreso de la superconductividad a altas temperaturas en comparación con las temperaturas originales que se tuvieron que lograr), lo que reducirá los requisitos de enfriamiento.

¿Por qué esperarías que dos tecnologías diferentes avancen a la misma velocidad?

En pocas palabras, las computadoras cuánticas pueden ser inmensamente más potentes, pero son inmensamente más difíciles de construir que las computadoras clásicas. La teoría de su funcionamiento es más complicada y, según la física reciente, existen mayores dificultades teóricas y obstáculos que inhiben su ampliación de tamaño, y su diseño requiere un hardware mucho más sofisticado que es más difícil de diseñar.

Casi todas las etapas de desarrollo de una computadora cuántica son análogas a las de una computadora clásica. Entonces una pregunta para ti; ¿Por qué compararlos?

Vea la línea de tiempo en Wikipedia y pregúntese dónde está el sumador paralelo.

Me parece que su respuesta está en su pregunta. Mirar la línea de tiempo en Wikipedia muestra un progreso muy lento desde 1959 hasta aproximadamente 2009. Fue principalmente un trabajo teórico hasta que pasamos de cero a uno .

En los únicos 9 años transcurridos desde entonces, el ritmo de progreso ha sido tremendo, pasando de 2 qubits a 72 y si incluye dwave hasta 2000 qubits. Y, hay uno trabajando en la nube en este momento al que tenemos acceso. Grafique el progreso de los últimos 60 años y estoy seguro de que verá la rodilla en la curva que parece desear y una refutación de su afirmación. Pero hasta donde sé, la computación cuántica no ha hecho nada.

¿Dónde está el equivalente de Atlas o el MU5?

¿Es esa la medida en la que se basa su pregunta?

¿Alguna vez podrás? ¿Es todo bombo y aire caliente? ¿La computación cuántica es solo un pastel en el cielo? ¿Es todo simplemente jam-mañana cortejado por charlatanes cuánticos a un público crédulo?

Si. No no no.

¿Si no, porque no?

Porque, como muestra su línea de tiempo referenciada, las personas están progresando significativamente en el número y la estabilidad de los qubits, así como en los algoritmos cuánticos.

Pedirle a la gente que prediga el futuro siempre ha estado plagado de fracasos, por eso la mayoría de estos sitios no permiten preguntas 'basadas en opiniones'.

Quizás las preguntas más específicas (no basadas en opiniones) servirían mejor para responder sus preguntas.

La triste verdad para la mayoría de las personas aquí es que John Duffield (el autor de la pregunta) tiene razón.

No hay pruebas de que una computadora cuántica tenga algún valor.

Sin embargo, para las empresas que han invertido en computación cuántica (IBM, Google, Intel, Microsoft, etc.), vale la pena intentar construir una, porque si tienen éxito podrán resolver algunos problemas exponencialmente más rápido que las computadoras clásicas, y si no tienen éxito, no se ha hecho mella en los miles de millones de dólares que tienen disponibles.

El intento de construir computadoras cuánticas útiles, que puede llamarse una falla hasta ahora, ha conducido al menos a avances en la comprensión de los superconductores, la fotónica e incluso la teoría cuántica misma. Se desarrollaron muchas matemáticas utilizadas para analizar la mecánica cuántica en el contexto de la teoría de la información cuántica.

Y finalmente, las computadoras cuánticas pueden nunca ser comercializables, pero los dispositivos de comunicación cuántica de Toshiba, HP, IBM, Mitsubishi, NEC y NTT ya están en el mercado.

En conclusión: estoy de acuerdo con John Duffield en que la computación cuántica puede nunca tener ningún valor. Pero la comunicación cuántica ya es comercializable, y se desarrollaron muchas nuevas ciencias, matemáticas e ingeniería (por ejemplo, para superconductores) para nuestros intentos fallidos (hasta ahora) de hacer realidad la computación cuántica.

Como todas las buenas preguntas, el punto es lo que quieres decir. Como CTO de una startup que desarrolla una computadora cuántica, tengo que estar totalmente en desacuerdo con la proposición de que la computación cuántica es simplemente un pastel en el cielo.

Pero luego usted afirma: "No comprará uno en PC World en el corto plazo". No solo estoy de acuerdo con esto, sino que sugeriría que en el futuro previsible no podrás hacerlo, lo que está tan cerca de "nunca" como me harás afirmar.

¿Porqué es eso? En primer lugar, es válido porque no hay razones de ingeniería que nos impidan construir una computadora cuántica y, de hecho, no hay razones que continúen evitando que construyamos una por mucho más tiempo. Para el segundo punto, es porque es más difícil construir una computadora cuántica que construir una computadora clásica (necesita condiciones especiales como temperaturas extremadamente frías o un muy buen vacío, y son más lentas), pero solo hay ciertas problemas en los que se destacan las computadoras cuánticas. No necesita ninguna computadora portátil para hacer un descubrimiento de medicamentos mediante el cálculo o romper cripto obsoletos o acelerar la inversión de alguna función (especialmente si vienen con equipos de soporte del tamaño de un armario), pero necesita una o algunas supercomputadoras para hacerlo.

¿Por qué puedo decir que no hay problemas de ingeniería que impidan las computadoras cuánticas (grandes, universales)? Tenga en cuenta que un solo ejemplo sería suficiente, por lo tanto, elijo la tecnología que mejor conozco, la que estoy buscando profesionalmente. En la computación cuántica basada en trampas de iones, se han demostrado todos los ingredientes que uno necesita: hay puertas cuánticas universales de alta fidelidad. Hay intentos exitosos de mover iones (separarlos y recombinarlos de cadenas de iones, moverlos a lo largo de caminos y a través de intersecciones de caminos), con un rendimiento adecuado. Además, la inicialización, medición, etc. es posible con una fidelidad comparable a las operaciones de puerta. Lo único que impide que se construyan computadoras cuánticas grandes y universales basadas en trampas de iones está relacionado con conseguir que los científicos que hicieron las contribuciones individuales junto con los ingenieros adecuados,

Estoy ansioso por decirte incluso cómo se podría hacer la hazaña pronto, técnicamente, pero me temo que enojaría un poco a nuestro abogado de patentes (y a mi CEO y a todos los demás en la empresa). Todo se reduce a esto:

Si la computación cuántica es realmente un pastel en el cielo, entonces, mirando hacia atrás, las personas en el futuro lo percibirán como una fruta tan baja como los primeros microordenadores.

Existen muchos desafíos técnicos para desarrollar una computadora cuántica universal que consista en muchos qubits, como se señala en las otras respuestas. Ver también este artículo de revisión . Sin embargo, puede haber formas alternativas de obtener ciertos resultados de computación cuántica no trivial antes de llegar a la primera computadora cuántica verdaderamente universal.

Tenga en cuenta que los dispositivos informáticos clásicos existieron mucho tiempo antes de que se hiciera la primera computadora universal. Por ejemplo, para resolver numéricamente ecuaciones diferenciales, puede construir un circuito eléctrico que consista en condensadores, bobinas y resistencias, de modo que el voltaje entre ciertos puntos satisfaga la misma ecuación diferencial que la que desea resolver. Este método era popular en astrofísica antes del advenimiento de las computadoras digitales.

En el caso de la computación cuántica, tenga en cuenta que cuando a Feynman se le ocurrió la idea de la computación cuántica, argumentó sobre la base de la dificultad de simular las propiedades mecánicas cuánticas de ciertos sistemas físicos utilizando computadoras ordinarias. Dio la vuelta al argumento al notar que el sistema en sí mismo resuelve el problema matemático que es difícil de resolver usando computadoras comunes. La naturaleza mecánica cuántica del sistema lo hace así, por lo tanto, uno puede considerar si puede construir dispositivos mecánicos cuánticos que sean capaces de resolver problemas que son difíciles de resolver utilizando computadoras comunes.