¿Qué es la supremacía cuántica? Explicación sencilla
¿Qué es la supremacía cuántica exactamente?
Una mañana de octubre de 2019, un equipo de Google se reunió en una sala de juntas observando cómo salía una impresión de una máquina de laboratorio. Su procesador cuántico, un chip llamado Sycamore, acababa de completar un cálculo en 200 segundos. Los cálculos matemáticos indicaban que el superordenador más rápido del mundo habría necesitado 10.000 años para realizar la misma tarea.
A ese instante se refieren los expertos cuando analizan qué es la supremacía cuántica. El término suena espectacular, pero la realidad es tanto más específica como más interesante de lo que sugieren los titulares. La supremacía cuántica representa un hito técnico muy acotado: un ordenador cuántico completa una tarea concreta más rápido de lo que cualquier superordenador clásico podría simularla.
Cómo lo logró el procesador Sycamore de Google
Vale la pena comprender el experimento en sí, ya que revela tanto el logro como sus propias limitaciones. Sycamore era un procesador de 53 cúbits (se fabricaron 54, pero uno falló durante las pruebas, por lo que utilizaron 53). El chip se alojaba en un refrigerador de dilución enfriado a aproximadamente 15 milikelvins, una temperatura más fría que la del espacio profundo.
El procesador se construyó sobre una rejilla bidimensional de cúbits transmon superconductores. Cada cúbit consta de un par de uniones Josephson (inductores no lineales que crean un oscilador anharmónico), lo que permite al sistema aislar dos niveles de energía como los estados computacionales |0⟩ y |1⟩. Los cúbits se estructuran sobre un sustrato de silicio mediante la deposición de películas delgadas de aluminio, y los cúbits adyacentes se conectan a través de acopladores sintonizables que pueden activarse y desactivarse mediante pulsos de microondas.
La tarea consistía en el muestreo de circuitos aleatorios. En palabras sencillas: Google diseñó un circuito cuántico (una secuencia de puertas cuánticas) que genera una distribución de probabilidad de resultados. El circuito estaba compuesto por capas alternas de puertas de un solo cúbit y puertas de fase controlada (CZ) de dos cúbits, dispuestas en un patrón que maximiza el entrelazamiento en todo el chip. La secuencia específica de puertas se eligió de forma pseudoaleatoria a partir de un conjunto de operaciones bien caracterizadas, y el circuito tenía una profundidad de 20 ciclos, lo que significa que cada cúbit se sometió a unas 20 operaciones de puerta antes de la medición.
Ejecutar el circuito produce cadenas de bits (secuencias de ceros y unos) con ciertas probabilidades. El procesador cuántico toma muestras de esta distribución de forma natural, ya que es el comportamiento propio de los sistemas cuánticos. Un ordenador clásico, en cambio, debe calcular esas probabilidades una a una, lo que se vuelve exponencialmente más difícil a medida que se añaden cúbits y aumenta la profundidad del circuito.
Sycamore ejecutó el circuito aproximadamente un millón de veces en 200 segundos y recopiló las muestras. El análisis de Google, publicado en la revista Nature (Arute et al., 2019), estimó que Summit —el superordenador que ocupaba el primer puesto en la lista TOP500 en aquel momento— habría tardado unos 10.000 años en generar el mismo resultado. El artículo reportó una fidelidad de referencia de entropía cruzada (XEB) de aproximadamente el 0,2%, lo que significa que la distribución de salida estaba correlacionada de forma medible con la distribución cuántica ideal a pesar del ruido. Ese 0,2% es suficiente para demostrar el principio físico; una máquina tolerante a fallos necesitaría fidelidades superiores al 99,9%.
| Sistema | Tiempo de resolución | Tipo |
|---|---|---|
| Google Sycamore (53 cúbits) | ~200 segundos | Procesador cuántico |
| IBM Summit (estimación original) | ~10.000 años | Superordenador clásico |
| IBM Summit (estimación optimizada, 2019) | ~2,5 días | Superordenador clásico |
Por qué funcionan las matemáticas: superposición, entrelazamiento y escalado exponencial
Los bits clásicos son binarios: pueden ser 0 o 1. Los cúbits no tienen esa restricción. Mediante la superposición, un cúbit puede existir en una combinación simultánea de los estados 0 y 1, ponderada por amplitudes de probabilidad. Cuando se entrelazan varios cúbits, sus estados se correlacionan de formas que la física clásica es incapaz de replicar. El espacio computacional crece de forma exponencial como 2 elevado a la potencia de n, donde n representa el número de cúbits.
Cincuenta y tres cúbits equivalen a 2^53 estados base, es decir, unos 9 mil billones. El procesador cuántico no «prueba todas las posibilidades a la vez» de esa forma simplista que suele describirse. En su lugar, la interferencia cuántica amplifica las amplitudes de probabilidad de las respuestas correctas mientras anula las incorrectas. La medición final colapsa el sistema en un único resultado, pero este resultado presenta un sesgo estadístico hacia la respuesta correcta gracias a cómo se diseñó dicha interferencia.
Hay un detalle fundamental que la mayoría de las explicaciones omiten: este escalado exponencial solo resulta útil para ciertas estructuras de problemas. El muestreo de circuitos aleatorios se eligió deliberadamente porque es sumamente difícil para las máquinas clásicas y natural para las cuánticas. No sirve para nada práctico más allá de demostrar este punto. Y eso es intencionado: el primer vuelo en Kitty Hawk tampoco llevaba pasajeros.
«Supremacía» frente a «ventaja»: el debate terminológico
La palabra «supremacía» arrastra cierta controversia. Varios investigadores destacados, incluido John Preskill (quien acuñó el término originalmente en 2012), han reconocido que sus connotaciones políticas resultan incómodas para algunos. Por ello, el sector se ha ido decantando gradualmente por el término «ventaja cuántica» al referirse a cálculos prácticos y útiles que superan a las alternativas clásicas.
Esta es la distinción práctica:
- Supremacía cuántica: un ordenador cuántico realiza una tarea de forma más rápida, independientemente de si dicha tarea es útil o no. Es una prueba de concepto de referencia.
- Ventaja cuántica: un ordenador cuántico resuelve un problema de valor práctico de forma más rápida o eficiente que las alternativas clásicas. Esto es lo que realmente persigue la industria.
Piense en la supremacía como el vuelo de 12 segundos de los hermanos Wright: de una enorme relevancia histórica y técnicamente impresionante, pero comercialmente inútil. La ventaja cuántica llegará cuando las aerolíneas comiencen a comprar aviones.
Quién más ha reclamado la supremacía cuántica desde 2019
Google no fue el único ni el último. Varios equipos han repetido y superado este hito, cada uno utilizando una plataforma física diferente:
- USTC (China), 2021 — Procesador superconductor Zuchongzhi. Un procesador superconductor de 66 cúbits realizó operaciones de puertas programables con una fidelidad que permitió reclamar la supremacía en un parámetro de referencia distinto: el muestreo del resultado de un circuito aleatorio programable de profundidad variable. El trabajo se publicó en Physical Review Letters.
- Google, 2023 — Experimento Sycamore mejorado. Una prueba de seguimiento con un procesador optimizado y fidelidades de puerta mejoradas (fidelidad de puerta de un solo cúbit superior al 99,9% y de dos cúbits en torno al 99,4%) logró resolver una tarea que requeriría 47 años de computación clásica en menos de 5 minutos. El mayor margen reflejó tanto un hardware cuántico superior como un parámetro de referencia elegido de forma más meticulosa que resistió las optimizaciones clásicas de redes de tensores.
- Quantinuum, 2024 — Cúbits lógicos tolerantes a fallos en H2. El sistema de iones atrapados H2 de Quantinuum demostró operaciones fiables con cúbits lógicos con tasas de error por debajo del umbral de tolerancia a fallos (el punto en el que la corrección de errores puede suprimir los fallos más rápido de lo que se acumulan). Este es un hito de naturaleza distinta: no se centra en la velocidad bruta, sino en la fiabilidad. Publicado en la revista Nature.
Cada experimento utiliza una plataforma física diferente: circuitos superconductores (Google, USTC Zuchongzhi), fotones (USTC Jiuzhang) e iones atrapados (Quantinuum). Esta diversidad de enfoques es crucial, ya que sugiere que la aceleración cuántica no es una anomalía de una tecnología específica, sino una propiedad general de los sistemas cuánticos cuando se logra un control lo suficientemente preciso sobre ellos.
¿Cuándo serán realmente útiles los ordenadores cuánticos?
Las hojas de ruta del sector coinciden en un marco temporal claro: no se espera una ventaja cuántica significativa para aplicaciones comerciales específicas en la década de 2020, sino más bien en la de 2030:
- Simulación en química cuántica: Modelado de estados fundamentales moleculares para el diseño de catalizadores o materiales de baterías. Aquí es donde el algoritmo VQE y otros afines podrían demostrar su ventaja en primer lugar, ya que estos problemas se trasladan de forma natural al hardware cuántico.
- Optimización combinatoria: Logística, optimización de carteras de inversión y problemas de planificación. El algoritmo QAOA (algoritmo de optimización cuántica aproximada) es el principal candidato, aunque las heurísticas clásicas siguen siendo muy competitivas.
- Núcleos de aprendizaje automático (Machine Learning Kernels): Espacios de características mejorados cuánticamente para tareas de clasificación. Las primeras investigaciones resultan prometedoras, pero aún no muestran una ventaja definitiva.
La brecha entre la supremacía y la utilidad práctica es real, pero es un desfase que el sector ya anticipaba. Toda tecnología disruptiva ha pasado por una fase de prueba de concepto antes de que comenzara a aplicarse de forma práctica.
Preguntas frecuentes
¿Significa la supremacía cuántica que los ordenadores cuánticos reemplazarán a los clásicos?
No. El experimento de supremacía se diseñó en torno a una tarea sumamente específica —el muestreo de circuitos aleatorios— que carece de utilidad práctica fuera del laboratorio. Un procesador cuántico no puede ejecutar una hoja de cálculo, reproducir vídeo en streaming ni enrutar tráfico de red. Este hito demuestra que el hardware cuántico puede superar a las máquinas clásicas en un entorno de pruebas muy acotado, pero no prueba una superioridad generalizada. Los ordenadores clásicos siguen siendo más rápidos, económicos y fiables para prácticamente todas las tareas informáticas cotidianas.
¿Se ha demostrado definitivamente la supremacía cuántica o sigue habiendo debate?
El resultado obtenido por Google en 2019 se publicó en la revista Nature tras una revisión por pares, y sus datos son públicos. Sin embargo, «demostrado» es una palabra categórica en un campo donde los algoritmos clásicos no dejan de mejorar. La réplica de IBM demostró que unas mejores técnicas de simulación clásica podían reducir la brecha de 10.000 años a aproximadamente 2,5 días. Desde entonces, nuevas optimizaciones clásicas han ajustado aún más las estimaciones. Con todo, la afirmación central —que un procesador cuántico completó una tarea que ninguna máquina clásica podría igualar en un tiempo razonable— se ha mantenido firme a través de múltiples experimentos. Lo que se debate es el margen de esa supremacía, no su existencia.
¿Qué diferencia hay entre supremacía cuántica y ventaja cuántica?
La supremacía es una prueba de concepto: hacer algo más rápido, sin importar si es útil o no. La ventaja es una prueba de utilidad: resolver un problema que realmente interese a alguien, de forma más veloz que con las alternativas clásicas. El experimento de Google en 2019 fue un caso de supremacía: la tarea de muestreo de circuitos aleatorios solo existía para resultar difícil a las máquinas tradicionales. La ventaja cuántica se parecería más a emplear un procesador cuántico para diseñar un mejor catalizador de baterías o para optimizar una cadena de suministro. Hoy en día, el sector ha dejado de priorizar los hitos de supremacía para centrarse en la búsqueda de la ventaja en áreas de aplicación específicas.