¿Es el "D-Wave One" de D-Wave Systems una computadora cuántica?

Sí , en el sentido de que usa propiedades cuánticas para realizar cálculos, pero no en el caso más general, ya que no es una máquina de Turing (es decir, una computadora universal).

Esta respuesta es algo complicada por el hecho de que lo que el público en general considera una computadora y lo que los informáticos definen formalmente como una máquina de Turing. Las máquinas de Turing son interesantes desde un punto de vista matemático, ya que cualquier algoritmo informático puede ejecutarse en una máquina de torneado y las máquinas de Turing pueden simularse entre sí, lo que da lugar al concepto de integridad de Turing .

El equivalente cuántico a una máquina de Turing convencional (es decir, una computadora de escritorio) requiere el uso de circuitos cuánticos que permitan ejecutar algoritmos generales en ella. De acuerdo con la integridad de Turing, las computadoras convencionales en realidad pueden simular computadoras cuánticas que utilizan circuitos cuánticos.

Entonces, con eso en mente, ahora podemos pasar al dispositivo D-Wave para un examen más detallado. La documentación propia de D-Wave Systems para desarrolladores nos dice lo siguiente:

El procesador del D-Wave One, cuyo nombre en código es Rainier, está diseñado para realizar una sola operación matemática llamada optimización discreta .

Junto con,

Rainier resuelve problemas de optimización mediante el recocido cuántico (QA) , que es una clase de enfoques de resolución de problemas que utilizan efectos cuánticos para ayudar a obtener mejores soluciones, más rápido.

Desde el principio sabemos que D-Wave no va a ser Turing completo, ya que solo puede realizar una sola operación matemática, lo que significa que no es una computadora cuántica en el sentido general; sin embargo, ¿qué pasa con el caso específico?

Cuando se presentó por primera vez, hubo bastante controversia de que D-Wave no estaba aprovechando los efectos cuánticos para resolver problemas. Sin embargo, esto se resolvió en parte con su publicación de 2011 de " Recocido cuántico con giros fabricados " en Nature, que contiene el siguiente punto de interés en resumen:

Aquí utilizamos el recocido cuántico para encontrar el estado fundamental de un sistema de espín Ising artificial que comprende una matriz de ocho bits cuánticos de flujo superconductores con acoplamientos espín-espín programables. Observamos una firma clara de recocido cuántico, distinguible del recocido térmico clásico a través de la dependencia de la temperatura del tiempo en el que se congela la dinámica del sistema. Nuestra implementación se puede configurar in situ para realizar una amplia variedad de redes de espín diferentes, cada una de las cuales se puede monitorear a medida que avanza hacia una configuración de bajo consumo de energía.

El documento es bastante interesante, pero las matemáticas también pueden ser bastante pesadas a veces. El punto clave del documento se resume en la conclusión,

Esto nos lleva a nuestra conclusión principal: un sistema de espín artificial programable fabricado como un circuito integrado puede usarse para implementar un algoritmo cuántico. Los experimentos presentados aquí constituyen un paso entre la comprensión del recocido de un solo qubit y la comprensión de los procesos de múltiples qubit que podrían usarse para encontrar configuraciones de baja energía en un procesador cuántico adiabático realista. Además de su potencial de resolución de problemas, un sistema como este también proporciona un banco de pruebas interesante para investigar la física de los espines cuánticos que interactúan, y es un paso importante en una investigación en curso sobre sistemas de espines mucho más complejos realizados con este tipo de arquitectura. . Aunque nuestro sistema de espín fabricado aún no es una computadora cuántica universal, al agregar un nuevo tipo de acoplador entre los qubits,

En resumen, el documento explica la implementación de un medio para realizar el cálculo cuántico adiabático . Este documento fue parte de lo que finalmente llevó a algunos de los críticos de D-Waves a retractarse de sus posiciones anteriores y ver más favorablemente a la empresa. Esto a su vez ha llevado a un calentamiento general de las opciones de las comunidades científicas hacia la empresa.

Esta posición de que D-Wave de hecho usa efectos cuánticos fue reforzada por la Universidad del Sur de California , quien en 2013 publicó un artículo que validaba el uso de efectos cuánticos en el procesador.

“Nuestro trabajo parece mostrar que, desde un punto de vista puramente físico, los efectos cuánticos juegan un papel funcional en el procesamiento de la información en el procesador D-Wave”, dijo Sergio Boixo, primer autor del trabajo de investigación, quien realizó la investigación mientras fue científico informático en ISI y profesor asistente de investigación en USC Viterbi

Un artículo preimpreso de 2013 titulado " Recocido cuántico con más de cien qubits " también plantea un punto muy interesante,

Teniendo en cuenta el tiempo de recocido puro, el rendimiento de las instancias típicas (medianas) coincide con el de un código de recocido clásico altamente optimizado en una CPU Intel de gama alta.

Lo que significa que, a partir de ahora, es posible que no haya muchas ventajas en usar su dispositivo en lugar de una computadora convencional. Sin embargo, continúan señalando que,

A continuación, se puede detectar la aceleración cuántica comparando los resultados de escalado de los recocidos cuánticos y clásicos simulados con los experimentos, como analizamos en detalle en el material complementario. Yendo a tamaños de problema aún mayores, pronto nos acercamos a los límites de las computadoras clásicas. Extrapolando de manera optimista usando la escala observada, el tiempo medio para encontrar la mejor solución para nuestro problema de prueba aumentará de milisegundos a minutos para 2048 variables y meses para 4096 variables, y la escala podría ser mucho peor si las distribuciones de cola gruesa comienzan a dominar, como habíamos observado previamente para otros algoritmos de Monte Carlo [28, 29]. Un recocido cuántico que muestre una mejor escala que los algoritmos clásicos para estos tamaños de problemas sería un avance emocionante.

Lo que significa que todavía sienten que para conjuntos de datos más grandes, es probable que su dispositivo tenga un rendimiento superior al de una computadora estándar para este tipo de problemas.

Entonces, para resumir, en el sentido general de que D-Wave One es una máquina de Turing, no lo es, lo que significa que no es una computadora cuántica en el sentido más estricto del significado. Sin embargo, en el sentido más general de que D-Wave One utiliza efectos cuánticos para realizar cálculos, la respuesta parece ser sí.