O CESGA investiga o particionado de algoritmos para contribuír a deseñar a programación dos computadores cuánticos do futuro
Os computadores cuánticos aínda son pequenos e propensos a cometer erros, pero a comunidade científica prepárase xa para un escenario con máquinas sofisticadas e grandes ou con redes de máquinas pequenas ben conectadas (o que en xerga cuántica se denomina entrelazadas). O particionado de algoritmos cuánticos, que parte as instrucións co fin de que sexan asumibles para as máquinas actuais, é unha das fórmulas para compensar as limitacións que aínda presenta a tecnoloxía. Os investigadores do CESGA están a contribuír ao avance destas técnicas para alargar o campo de acción da computación cuántica no futuro
Nos últimos anos, o termo algoritmo traspasou as portas dos lugares nos que se traballa coas matemáticas, as ciencias da computación e outras disciplinas académicas e científicas para coarse cada vez con máis forza na linguaxe da rúa. A omnipresencia das redes sociais e agora tamén da intelixencia artificial provocou que se fale do algoritmo como unha especie de ente abstracto chamado a gobernar as nosas vidas.
Guillermo Díaz
Isto é así a pesar de que moitas das persoas que o mencionan nas súas conversacións non saberían definilo. En termos xerais, trátase de calquera método para resolver un problema mediante unha secuencia de pasos ben definidos, ordenados e finitos. No ámbito da computación, poderíase dicir que son as instrucións que se lle dan ao computador para que poida executar unha tarefa, por exemplo resolver un problema. Se o relacionamos cun concepto máis próximo ao noso manexo práctico, un programa de computador non é máis que a implementación concreta dun ou máis algoritmos a través dunha linguaxe de programación que o computador pode entender e executar.
“Nos seus inicios, os computadores clásicos tiñan o tamaño dunha habitación enteira e pasabámoslles as instrucións con tarxetas perforadas. Hoxe en día, todo ese poder de computación pódelo ter no teu peto e os programadores non necesitan pensar que fai cada bit da máquina, senón que poden traballar nos programas de forma máis natural”, explica Guillermo Díaz Camacho, investigador do Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA).
Os computadores cuánticos son moi incipientes, aínda están nese punto equivalente ás tarxetas perforadas e máquinas que ocupan unha habitación enteira, polo que aínda se traballa con eles a un nivel moi fundamental e laborioso. De feito, salvando todas as distancias que implica falar de ciencia de fronteira e tecnoloxías disruptivas, poderíase usar o termo rudimentario. “Os algoritmos cuánticos aínda se parecen a esas tarxetas perforadas, con instrucións que se asemellan máis a un circuíto con cables e compoñentes electrónicos, por iso é común referirse a eles como circuítos cuánticos”, aclara Díaz Camacho.
O Departamento de Aplicacións e Proxectos do CESGA, ao que pertence este investigador, busca contribuír ao deseño de algoritmos adaptados a este contexto para que os programadores poidan traballar cada vez de forma máis natural nos computadores cuánticos, permitindo así que estas máquinas sexan capaces de abordar problemas cada vez máis grandes e aplicados no futuro. “É o que chamariamos investigación básica, está máis preto de axudar a outros investigadores que á industria”, expón.
Partir os algoritmos
As grandes compañías como IBM ou Google teñen computadores cuánticos (QPU polas súas siglas en inglés, de quantum processing units) duns poucos centos de cúbits (a unidade básica de computación cuántica, análoga ao bit na clásica). Sendo un dos computadores cuánticos de acceso público con máis cúbits de Europa, o QMIO do CESGA ten só 32. “Aínda que estes tamaños son un gran progreso, para resolver problemas de interese real na industria estímase que farán falta miles ou mesmo millóns de cúbits”, aclara Díaz Camacho.
Mentres estas dimensións non se poidan alcanzar nunha soa máquina, hai que ser creativos. A solución transitoria é interconectar ordenadores cuánticos pequenos para que traballen xuntos e iso implica partir os algoritmos para que estes poidan executalos. Esta complexa tarefa, na que se centra o proxecto do CESGA, denomínase particionado de algoritmos cuánticos.
“Trátase de ter moitas QPU pequenas e manexables e comunicalas entre si para combinar a súa memoria e poder de computación. Para logralo, temos que separar o algoritmo que queremos executar en pezas máis pequenas que podamos ir executando secuencialmente ou por separado nos diferentes computadores. Basicamente, separamos a carga de traballo que unha única QPU non podería facer en pezas máis pequenas”, ilustra o investigador do CESGA.
Cortar e tecer
Mesmo en computación clásica, separar un algoritmo en anacos non é tan sinxelo como executar un anaco aquí e outro alá, porque todo está moi interconectado. O entrelazamento, un fenómeno puramente cuántico que diferencia os computadores cuánticos dos clásicos, vén complicalo aínda un pouco máis cando se trata de particionar algoritmos cuánticos. Sen entrelazamento entre os cúbits non hai poder de computación cuántica, xa sexa entre os cúbits dunha única máquina como entre os de varias máquinas interconectadas. “O problema é que, na práctica, crear entrelazamento é delicado. Os computadores cuánticos adoitan estar moi illados e protexidos para que os cúbits non sufran erros, pero facelos falar entre eles é o contrario de illalos!”, comenta Díaz Camacho para dar unha idea sobre a complexidade que isto entraña.
Para superar esta limitación, o equipo de Díaz Camacho utiliza unha técnica que consiste en simular ese entrelazamento. “A día de hoxe, non hai apenas formas de conectar realmente varias QPU de maneira que estean entrelazadas e así poder combinar a súa capacidade. Idealmente, o hardware do futuro farao posible, pero agora mesmo hai que usar outras técnicas que permitan simular ese entrelazamento. Non é tan fácil como facer unha metade do algoritmo aquí e outra alí, senón que hai que facer unha serie de operacións distintas en cada QPU para que, de media, o resultado se pareza ao que se obtería de estar entrelazadas”, explica.
Para lograr isto, é necesario botar man da potencia de cálculo dos supercomputadores clásicos. “O traballo de simular que as QPU están entrelazadas faino un computador clásico, que fala cos computadores cuánticos para coordinalos, mandando pezas pequenas do algoritmo ou circuíto a cada unha. É un proceso laborioso, pero depende menos do hardware actual porque é máis fácil conectar CPU con QPU que conectar dúas QPU entre si”, expón Díaz Camacho.
Esta técnica de particionado de algoritmos cuánticos é tan nova que aínda non hai consenso na comunidade científica sobre como chamala, se cortado de circuítos ou tecido de circuítos. O termo cortado fai referencia a separar os algoritmos en pezas máis pequenas, mentres que tecido parece evocar máis a idea de combinar esas pezas e volver xuntalas (ou entrelazalas) nunha unidade maior. Sexa como sexa, ese cortar e tecer é a esencia do proxecto do CESGA: cortar circuítos cuánticos grandes en subcircuítos que se axustan a computadores cuánticos pequenos, incorporando simulación clásica para tecer os resultados que compoñen a resposta obxectivo.
Aínda que a aplicabilidade industrial aínda é un horizonte afastado, os investigadores deste proxecto enmarcado no Plan Complementario de Comunicación Cuántica (PCCC) traballan con dous tipos de problemas prototipo que, a longo prazo, poden achegar solucións prácticas de gran calado: optimización combinatoria e materia condensada. A primeira inclúe problemas moi dispares que van dende a comparación entre moléculas e o pregamento de proteínas –que terían utilidade en industria farmacéutica, alimentaria ou biotecnolóxica– ata casos de predición de tráfico, cálculo de rutas ou demanda dunha rede eléctrica. “O estudo da materia condensada é máis próximo á miña formación como físico, xa que busca entender propiedades microscópicas de materiais como os superconductores”, precisa Díaz Camacho. Estes últimos teñen capacidade, por exemplo, para conducir electricidade sen resistencia, o que permite o transporte de enerxía evitando perdas.
O futuro cuántico
“Hai que estar atento porque todas as semanas xorde algo que pode cambiar o paradigma e facer que toque volver á lousa para deseñar cousas de cero. En parte é frustrante, en parte emocionante”, admite Guillermo Díaz Camacho. Neste panorama tan dinámico e cheo de incertezas, proxectar o futuro é un exercicio complexo, pero el atrévese a predicir que “no próximos cinco anos imos ver bastante software de particionado de circuítos a un nivel máis maduro e profesional. Isto permitirá acelerar o traballo de desenvolvemento ao non ter que facer cada un o traballo dende cero”, expón.
“Tamén creo que empezaremos a ver QPU conectadas entre si con entrelazamento real, pero aínda a unha escala pequena, así que o interese por estas técnicas pode aumentar”, ao que engade que os grandes competidores como Google ou IBM xa mencionan este tipo de ferramentas e hardware nos seus plans de futuro próximo.
Na súa opinión, para o desenvolvemento das tecnoloxías cuánticas fan falta moitos expertos que saiban tanto do estado da arte como dos problemas reais que a ciencia e a industria queren abordar. “Dende o CESGA queremos traballar nese espazo, aínda que levamos pouco tempo co proxecto”, apunta.
