El CESGA investiga el particionado de algoritmos para contribuir a diseñar la programación de los computadores cuánticos del futuro
Los computadores cuánticos todavía son pequeños y propensos a cometer errores, pero la comunidad científica se prepara ya para un escenario con máquinas sofisticadas y grandes o con redes de máquinas pequeñas bien conectadas (lo que en jerga cuántica se denomina entrelazadas). El particionado de algoritmos cuánticos, que trocea las instrucciones con el fin de que sean asumibles para las máquinas actuales, es una de las fórmulas para compensar las limitaciones que aún presenta la tecnología. Los investigadores del CESGA están contribuyendo al avance de estas técnicas para ensanchar el campo de acción de la computación cuántica en el futuro
En los últimos años, el término algoritmo ha traspasado las puertas de los lugares en los que se trabaja con las matemáticas, las ciencias de la computación y otras disciplinas académicas y científicas para colarse cada vez con más fuerza en el lenguaje de la calle. La omnipresencia de las redes sociales y ahora también de la inteligencia artificial ha provocado que se hable del algoritmo como una especie de ente abstracto llamado a gobernar nuestras vidas.
Guillermo Díaz
Esto es así a pesar de que muchas de las personas que lo mencionan en sus conversaciones no sabrían definirlo. En términos generales, se trata de cualquier método para resolver un problema mediante una secuencia de pasos bien definidos, ordenados y finitos. En el ámbito de la computación, se podría decir que son las instrucciones que se le dan al ordenador para que pueda ejecutar una tarea, como por ejemplo resolver un problema. Si lo relacionamos con un concepto más cercano a nuestro manejo práctico, un programa de ordenador no es más que la implementación concreta de uno o más algoritmos a través de un lenguaje de programación que el ordenador puede entender y ejecutar.
“En sus inicios, los ordenadores clásicos tenían el tamaño de una habitación entera y les pasábamos las instrucciones con tarjetas perforadas. Hoy en día, todo ese poder de computación lo puedes tener en tu bolsillo y los programadores no necesitan pensar qué hace cada bit de la máquina, sino que pueden trabajar en los programas de forma más natural”, explica Guillermo Díaz Camacho, investigador del Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA).
Los ordenadores cuánticos son muy incipientes, todavía están en ese punto equivalente a las tarjetas perforadas y máquinas que ocupan una habitación entera, por lo que aún se trabaja con ellos a un nivel muy fundamental y laborioso. De hecho, salvando todas las distancias que implica hablar de ciencia de frontera y tecnologías disruptivas, se podría usar el término rudimentario. “Los algoritmos cuánticos aún se parecen a esas tarjetas perforadas, con instrucciones que se asemejan más a un circuito con cables y componentes electrónicos, de ahí que sea común referirse a ellos como circuitos cuánticos”, aclara Díaz Camacho.
El Departamento de Aplicaciones y Proyectos del CESGA, al que pertenece este investigador, busca contribuir al diseño de algoritmos adaptados a este contexto para que los programadores puedan trabajar cada vez de forma más natural en los computadores cuánticos, permitiendo así que estas máquinas sean capaces de abordar problemas cada vez más grandes y aplicados en el futuro. “Es lo que llamaríamos investigación básica, está más cerca de ayudar a otros investigadores que a la industria”, expone.
Partir los algoritmos
Las grandes compañías como IBM o Google tienen computadores cuánticos (QPU por sus siglas en inglés, de quantum processing units) de unos pocos cientos de cúbits (la unidad básica de computación cuántica, análoga al bit en la clásica). Siendo uno de los computadores cuánticos de acceso público con más cúbits de Europa, el QMIO del CESGA tiene solo 32. “Si bien estos tamaños son un gran progreso, para resolver problemas de interés real en la industria se estima que harán falta miles o incluso millones de cúbits”, aclara Díaz Camacho.
Mientras estas dimensiones no se puedan alcanzar en una sola máquina, hay que ser creativos. La solución transitoria es interconectar ordenadores cuánticos pequeños para que trabajen juntos y eso implica trocear los algoritmos para que estos puedan ejecutarlos. Esta compleja tarea, en la que se centra el proyecto del CESGA, se denomina particionado de algoritmos cuánticos.
“Se trata de tener muchas QPU pequeñas y manejables y comunicarlas entre sí para combinar su memoria y poder de computación. Para lograrlo, tenemos que separar el algoritmo que queremos ejecutar en piezas más pequeñas que podamos ir ejecutando secuencialmente o por separado en los diferentes ordenadores. Básicamente, separamos la carga de trabajo que una única QPU no podría hacer en piezas más pequeñas”, ilustra el investigador del CESGA.
Cortar y tejer
Incluso en computación clásica, separar un algoritmo en trozos no es tan sencillo como ejecutar un trozo aquí y otro allá, porque todo está muy interconectado. El entrelazamiento, un fenómeno puramente cuántico que diferencia los computadores cuánticos de los clásicos, viene a complicarlo todavía un poco más cuando se trata de particionar algoritmos cuánticos. Sin entrelazamiento entre los cúbits no hay poder de computación cuántica, ya sea entre los cúbits de una única máquina como entre los de varias máquinas interconectadas. “El problema es que, en la práctica, crear entrelazamiento es delicado. Los ordenadores cuánticos suelen estar muy aislados y protegidos para que los cúbits no sufran errores, ¡pero hacerlos hablar entre ellos es lo contrario de aislarlos!”, comenta Díaz Camacho para dar una idea sobre la complejidad que esto entraña.
Para superar esta limitación, el equipo de Díaz Camacho utiliza una técnica que consiste en simular ese entrelazamiento. “A día de hoy, no hay apenas formas de conectar realmente varias QPU de manera que estén entrelazadas y así poder combinar su capacidad. Idealmente, el hardware del futuro lo hará posible, pero ahora mismo hay que usar otras técnicas que permitan simular ese entrelazamiento. No es tan fácil como hacer una mitad del algoritmo aquí y otra allí, sino que hay que hacer una serie de operaciones distintas en cada QPU para que, de media, el resultado se parezca al que se obtendría de estar entrelazadas”, explica.
Para lograr esto, es necesario echar mano de la potencia de cálculo de los supercomputadores clásicos. “El trabajo de simular que las QPU están entrelazadas lo hace un ordenador clásico, que habla con los ordenadores cuánticos para coordinarlos, mandando piezas pequeñas del algoritmo o circuito a cada una. Es un proceso laborioso, pero depende menos del hardware actual porque es más fácil conectar CPU con QPU que conectar dos QPU entre sí”, expone Díaz Camacho.
Esta técnica de particionado de algoritmos cuánticos es tan nueva que todavía no hay consenso en la comunidad científica sobre cómo llamarla, si cortado de circuitos o tejido de circuitos. El término cortado hace referencia a separar los algoritmos en piezas más pequeñas, mientras que tejido parece evocar más la idea de combinar esas piezas y volver a juntarlas (o entrelazarlas) en una unidad mayor. Sea como sea, ese cortar y tejer es la esencia del proyecto del CESGA: cortar circuitos cuánticos grandes en subcircuitos que se ajustan a ordenadores cuánticos pequeños, incorporando simulación clásica para tejer los resultados que componen la respuesta objetivo.
Aunque la aplicabilidad industrial aún es un horizonte lejano, los investigadores de este proyecto enmarcado en el Plan Complementario de Comunicación Cuántica (PCCC) trabajan con dos tipos de problemas prototipo que, a largo plazo, pueden aportar soluciones prácticas de gran calado: optimización combinatoria y materia condensada. La primera incluye problemas muy dispares que van desde la comparación entre moléculas y el plegado de proteínas –que tendrían utilidad en industria farmacéutica, alimentaria o biotecnológica– hasta casos de predicción de tráfico, cálculo de rutas o demanda de una red eléctrica. “El estudio de la materia condensada es más próximo a mi formación como físico, ya que busca entender propiedades microscópicas de materiales como los superconductores”, precisa Díaz Camacho. Estos últimos tienen capacidad, por ejemplo, para conducir electricidad sin resistencia, lo que permite el transporte de energía evitando pérdidas.
El futuro cuántico
“Hay que estar atento porque todas las semanas surge algo que puede cambiar el paradigma y hacer que toque volver a la pizarra para diseñar cosas de cero. En parte es frustrante, en parte emocionante”, admite Guillermo Díaz Camacho. En este panorama tan dinámico y lleno de incertidumbres, proyectar el futuro es un ejercicio complejo, pero él se atreve a predecir que “en los próximos cinco años vamos a ver bastante software de particionado de circuitos a un nivel más maduro y profesional. Esto permitirá acelerar el trabajo de desarrollo al no tener que hacer cada uno el trabajo desde cero”, expone.
“También creo que empezaremos a ver QPU conectadas entre sí con entrelazamiento real, si bien aún a una escala pequeña, así que el interés por estas técnicas puede aumentar”, a lo que añade que los grandes competidores como Google o IBM ya mencionan este tipo de herramientas y hardware en sus planes de futuro próximo.
En su opinión, para el desarrollo de las tecnologías cuánticas hacen falta muchos expertos que sepan tanto del estado del arte como de los problemas reales que la ciencia y la industria quieren abordar. “Desde el CESGA queremos trabajar en ese espacio, si bien llevamos poco tiempo con el proyecto”, apunta.
