Qué es de verdad una computadora cuántica: conversación con Ariel Gamboa
Ariel Gamboa es compañero mío de la universidad. Es ingeniero en mecatrónica por la UPIITA del IPN, estuvo un rato en la industria, se aburrió, y ahora hace una maestría trabajando en cómputo cuántico.
Le dije de entrada dónde estaba parado yo: lo único que sé de cómputo cuántico es el algoritmo de Shor, y claramente no cada paso, sólo muy a grosso modo. La física me quebró la cabeza varias veces.
Programador y computólogo no son lo mismo
Antes de empezar, Ariel insiste en una distinción:
Hay que hacer la diferencia entre programador y computólogo. Los computólogos nos ubicamos en la parte matemática. De hecho yo a veces no sé ni poner Netflix.
Por qué se salió de la industria
La industria en México se dedica más a implementar tecnologías y procesos que importamos del extranjero —Estados Unidos, Alemania, otros países que tienen una economía de clase 3, o sea el conocimiento. Y eso realmente a mí no me llama.
Su recorrido fue: soporte de cámaras, luego mantenimiento industrial —donde aprendió PLCs e hizo su propio sistema SCADA con Arduinos de calidad industrial—, y como los proyectos se los daban a proveedores establecidos que implementan rápido aunque sean caros, me uní a ellos: a KUKA Robotics, en el área de warehousing.
Fue por pensar en más lana que me volví ingeniero de software.
Le iba bien. Y aun así:
No tenía esta semilla de creatividad, de brillantez, de quedarme leyendo cosas que no entendía.
La diferencia, en su forma más pura
Le pedí que empezara por lo básico: qué es y en qué se distingue del cómputo normal.
Su respuesta empieza por abajo:
Los building blocks de las computadoras con las que nos estamos comunicando son los transistores. Con ellos se forman sistemas cada vez más complejos: registros, flip-flops, memorias, unidades aritmético-lógicas, microprocesadores, RAM, ROM. Puedes llamarles CPUs o TPUs, pero al final de cuentas todas funcionan con transistores.
Y la idealización matemática del transistor, si quieres verlo así, es el bit: o está prendido o está apagado. No puede estar prendido y apagado al mismo tiempo.
Y de ahí:
Los building blocks del cómputo cuántico son completamente diferentes, mucho más complejos que los del cómputo normal.
Un qubit puede estar en varios estados en superposición. Y algo que me pareció importante:
Un sistema de un qubit no es tan poderoso, se puede ver como que no es la gran cosa. Pero cuando empiezas a ver las interacciones entre varios qubits es cuando las operaciones se ponen sabrosas.
Es contraintuitivo, y punto
La mecánica cuántica no tiene nada que ver con tu experiencia en la vida cotidiana. Si yo llego y dejo mi cartera en un lugar, puedo esperar que siga ahí para siempre. Si llego y dejo un electrón en un lugar, en su estado de menor energía, puedo medirlo después de un rato y ya no va a estar ahí.
Y a media explicación, la mejor frase de la conversación. Ariel tiene una oficina que da hacia los salones de los estudiantes de licenciatura:
Me pongo a escribir y me encantan las caras que ponen, porque no tienen ni idea de lo que significa. Lo que no saben es que yo tampoco.
Shor, y por qué le importa a tu tarjeta de crédito
Creo que el algoritmo de Shor es lo que le ha dado más arrastre al desarrollo del cómputo cuántico. De todos los esfuerzos posibles, fue ése.
La razón: los algoritmos criptográficos que hoy protegen tus datos personales y tus tarjetas de crédito funcionan bajo la premisa de que factorizar números muy grandes es difícil —difícil en el sentido de que tardarías muchísimo en hacerlo y en corroborar que la respuesta es correcta.
Y entonces Shor publica un paper —el año 1999, si no mal recuerdo; 98, 99; ya estoy diciendo fechas, no las tengo— sobre factorización en tiempo polinomial. Y en cómputo, cuando dices tiempo polinomial, es que es sencillo.
Cómo lo logra, en su versión sin fórmulas: hay que hablar de amplitudes de probabilidad. Cuando enciendes una computadora clásica, todos los transistores están apagados. En una cuántica pasa lo mismo: todo arranca en el estado basal. La diferencia es que no ingresas un cero o un uno, ingresas α·|0⟩ + β·|1⟩ con α² + β² = 1 —que técnicamente sólo significa que las probabilidades son válidas.
Con dos qubits tienes probabilidades para 00, 01, 10 y 11. Eso es superposición, y crece de manera exponencial: con 8 qubits tienes un montón de estados al mismo tiempo, y puedes hacer búsquedas sobre todos ellos.
Shor juega con esas amplitudes de tal manera que al correr el algoritmo √n veces obtienes alta probabilidad de que te regrese los factores.
Ariel aclara algo importante: esto es el modelo de compuertas, y hay varios modelos, varios populares, y cada uno sirve para algo específico. Shor funciona con éste.
Le pregunté si eso significa que no es seguro que el resultado sea correcto. Su respuesta: es más o menos cierto. Cada medición tiene una probabilidad; la teoría de la complejidad te da un límite inferior, uno superior y un resultado esperado.
El otro algoritmo importante es Grover, de búsqueda: funciona en una sola corrida pero tienes que repetirlo √n veces, porque estos sistemas son probabilísticos y siempre hay margen de error.
En papel es sencillo, en la práctica es una pesadilla
Cuando yo empecé dije: okay, esto es sencillísimo, simplemente voy a agarrar esto y... No. Es una pesadilla construir los algoritmos.
Para cada caso específico tienes que construir una serie de compuertas con ciertas características. Esas características están bien enumeradas en los papers, pero la parte técnica es un desastre.
Y ahí está el problema de fondo, que es de ingeniería y no de matemáticas.
Cómo se programa realmente
Ésta fue la parte que más me sorprendió.
En cómputo digital la base son los bits y las compuertas universales: está demostrado matemáticamente que con un número ilimitado de bits y de compuertas XOR puedes realizar cualquier cómputo. Lo mismo vale para las cuánticas.
La diferencia es que no tenemos lenguajes de programación de alto nivel, como C o python. Imagínate si hubiera eso: pues realmente yo no tendría trabajo, porque cualquiera podría meterse y programar algoritmos cuánticos.
El estado del arte es qubits y compuertas, y se acabó.
Él programa en QASM, Quantum Assembler: literalmente tú defines, éste es un qubit, ésta es su compuerta, operación tras operación. Puedes usar registros clásicos.
Su descripción de la experiencia: imagínate que estás utilizando ensamblador, pero únicamente tienes acceso a 50 registros.
Es una tarea algo ardua, y no siempre te da los resultados que esperas.
Lo que Google sí merece y lo que no
Sobre la supremacía cuántica —la clase de cosas que una computadora clásica nunca podría hacer a menos que le dejes una eternidad de tiempo y una eternidad de recursos computacionales—: Google la logró.
Y su crítica, que es lo mejor del episodio, está aquí.
No va a haber celulares cuánticos
Le pregunté si las cuánticas van a reemplazar a las convencionales o si se van a usar para cosas específicas.
En absoluto. Exacto.
Nosotros nunca nos vamos a comunicar con un celular cuántico. Eso tenlo por seguro, porque cuando tú estás viendo mi imagen, quieres que sea mi imagen; no algo que esté ahí entrelazado y que de repente sea y de repente no sea.
Radar y comunicación cuántica
Más allá del cómputo está la aplicación de fenómenos cuánticos a la comunicación. Lo que engloba a ambos es la teoría de la información cuántica, que en sus palabras es mind blowing.
Un radar normal manda radiofrecuencia, la recibe, la mide y mapea un espacio en dos dimensiones. Hay un radar cuántico que está diseñando un mexicano, Marco Lanzagorta —un crack, sagrado prácticamente— en la US Navy. Para que nos demos una idea: un mexicano en la US Navy realizando investigación.
Usa pares entrelazados de electrones para mandar y traer información, y de un par entrelazado obtienes mucha más información que de la radiofrecuencia. Lo mismo aplica a comunicaciones: menos pérdidas y mayor fidelidad.
Quizás en un futuro nos podamos ver sin tanto lag.
Lo más difícil de investigar
No fue integrarse a la academia —la UPIITA básicamente es como una mini academia— ni el bagaje físico, aunque evidentemente lo necesitas.
Lo que más se me hizo complicado es tener la fortaleza mental de poder leer un paper.
De ahí sale la resiliencia intelectual, que me parece la idea más aprovechable de todo el episodio y que no tiene nada de cuántica.
Cómo es la vida de investigación
El cliché del aislamiento es un poco cierto, dice, pero a él le tocó un compañero de oficina muy chido, y se armó un grupo raro:
Nadie hace lo mismo. Todos somos computólogos, pero cada quien está trabajando en cosas diferentes. Tomamos clases juntos, nos vemos de manera repetitiva. Solíamos tomar el té a las 5 así sharp, y discutir cosas epistemológicas.
Cuando era ingeniero tenía que cumplir un horario. Ahora no: tiene tareas, se reúne con su asesor una o dos veces por semana, revisa avances, tiene clases. Mucha autogestión también se necesita.
Por dónde empezar
Le pregunté cuál es el paso cero para alguien que quiera aprender cómputo cuántico. Su respuesta fue concreta y gratis:
Afortunadamente existe el doctor Salvador Venegas-Andraca, aquí en México, una superfigura no solamente en cómputo cuántico sino en innovación y gestión de la innovación, que tiene un curso en línea.
Puedes aprender del mejor, sin costo y online. Simplemente busca su nombre y te va a salir su canal.
Él tomó su curso dentro de la institución; el de línea es distinto, pero da las cosas básicas y los elementos para llegar hasta donde quieras.
Y su mensaje final
Hacer investigación y desarrollo es lo que yo creo que necesita el país para mejorar la calidad de vida. Está probado por muchos otros países, quizás siendo Singapur la punta de flecha: si apostamos por la innovación y por nuevas tecnologías, va a haber prosperidad para todos.
Hay recursos en México específicamente para cuántica. Pero, dice, para desarrollar proyectos de muy buen nivel habría que salir: la University of New South Wales en Sydney, o Canadá, que son grandes potencias cuánticas.
Este texto sale del episodio 018 del Podcast Algoritmos, una conversación con Ariel Gamboa. Los números concretos que dio —50 qubits en las máquinas más avanzadas, tres qubits útiles en la práctica, la era NISQ— eran los de 2020 y hoy están superados.