Ventaja cuántica, supremacía cuántica y utilidad cuántica: qué significan estas palabras

Hay tres expresiones que aparecen una y otra vez en la cobertura de la computación cuántica: supremacía cuántica, ventaja cuántica y utilidad cuántica. A veces se tratan como sinónimos y a veces como peldaños de una escalera de progreso. No son ninguna de las dos cosas. Proceden de artículos y charlas distintos, establecen comparaciones distintas y todas pueden usarse con rigor o a la ligera.

Esta guía explica de dónde vienen estas palabras, qué debe especificar una afirmación responsable y cómo leerlas junto a ideas más básicas como los qubits y la corrección de errores. Complementa nuestra lista de comprobación sobre cómo leer un anuncio de computación cuántica.

Supremacía cuántica

John Preskill introdujo el término «supremacía cuántica» (quantum supremacy) en una ponencia de relator de 2012, publicada después como «Quantum computing and the entanglement frontier». Lo usó para referirse al esperado momento en que un sistema cuántico bien controlado pudiera realizar una tarea que fuera más allá de lo que pueden lograr los ordenadores digitales corrientes. En esa ponencia, una demostración convincente de supremacía no tenía por qué resolver un problema industrial útil. Podía tratarse de una tarea artificial, elegida porque es difícil de simular de forma clásica y posible de ejecutar en el hardware a corto plazo.

Ese significado —un dispositivo cuántico que hace algo que pone a prueba o supera la simulación clásica plausible, no necesariamente algo por cuyo cálculo alguien pagaría— es el que se consolidó en la literatura científica.

La afirmación más conocida llegó en octubre de 2019, cuando Google y sus colaboradores publicaron en Nature «Quantum supremacy using a programmable superconducting processor». Describieron un experimento de muestreo de circuitos aleatorios en el procesador Sycamore, de 53 qubits, y estimaron que una tarea que a su dispositivo cuántico le llevaba unos 200 segundos le llevaría a un supercomputador de última generación unos 10.000 años. Esas cifras son estimaciones de los autores, no una constante universal de la naturaleza: dependen de cómo se modele la simulación clásica.

Investigadores de IBM respondieron públicamente, entre otras cosas en una entrada de blog titulada «On “quantum supremacy”», en la que sostenían que una simulación clásica más cuidadosa —en particular, una que aprovechara mejor el almacenamiento secundario— podría completar la misma tarea de muestreo en cuestión de días y no de milenios. La discrepancia no era sobre si Sycamore había ejecutado un circuito difícil. Era sobre qué significaba «fuera del alcance de los ordenadores clásicos» una vez que el algoritmo clásico y el modelo de máquina se especificaban de forma más generosa.

Ese intercambio es el modelo para leer cualquier afirmación posterior del tipo «supremacía»: hay que nombrar la tarea, nombrar el dispositivo cuántico, nombrar la referencia clásica y contar con que esa referencia se mueva a medida que mejoren los algoritmos clásicos.

Ventaja cuántica

«Ventaja cuántica» (quantum advantage) se usa de dos maneras que se solapan, y por eso genera problemas.

En un uso, es un sinónimo más suave de supremacía: un ordenador cuántico supera a un ordenador clásico en una tarea bien definida. Algunos investigadores prefieren «ventaja» porque, en inglés, supremacy tiene connotaciones políticas que nada tienen que ver con la física. Cuando un artículo dice que evita la palabra supremacía por ese motivo, normalmente sigue hablando de una comparación computacional, no de que un producto sea en general mejor que los ordenadores clásicos.

En el otro uso, «ventaja» se reserva para una aceleración (o una mejora en coste o en energía) en un problema que ya le importa a alguien —química, materiales, optimización, criptografía— y no en una tarea de muestreo inventada para la comparación. Con este uso más estricto, un experimento de muestreo de circuitos aleatorios puede ser supremacía sin ser ventaja.

No puedes saber qué significado pretende un anuncio salvo que diga qué se comparó con qué. Un titular que solo dice «lograda la ventaja cuántica» está incompleto.

Utilidad cuántica

«Utilidad» (quantum utility) empezó a circular ampliamente tras un artículo publicado en Nature en 2023 por Youngseok Kim, Andrew Eddins, Abhinav Kandala y colegas de IBM y de socios académicos: «Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance». El experimento ejecutó circuitos en un procesador superconductor ruidoso de 127 qubits, incluidos circuitos de hasta 60 capas de puertas de dos qubits (2.880 puertas CNOT en los casos más grandes que destacan). Los autores sostenían que podían medir valores esperados precisos a una escala que supera la computación clásica por fuerza bruta, y que, en un régimen fuertemente entrelazado, sus resultados seguían siendo fiables donde fallaban algunos de los principales métodos clásicos aproximados, incluidos ciertos enfoques basados en redes de tensores.

Del propio artículo se desprenden dos advertencias. Primero, los autores lo presentan como evidencia de utilidad en una era previa a la tolerancia a fallos —una base para explorar métodos a corto plazo—, no como la afirmación de que una aplicación comercial ya supera a cualquier solucionador clásico. Segundo, comparan con técnicas clásicas concretas (la simulación por fuerza bruta donde todavía es aplicable y determinados métodos aproximados donde no lo es). Algoritmos clásicos posteriores pueden reducir o cerrar esa diferencia, igual que el trabajo de simulación clásica respondió a parte de la comparación de supremacía de 2019.

En un lenguaje de marketing más laxo, «utilidad» a veces se estira hasta significar «los clientes obtienen valor de nuestro sistema cuántico». Puede ser una afirmación comercial razonable. No es la misma afirmación que la del artículo de 2023.

Cómo encajan estas palabras con NISQ y la tolerancia a fallos

El ensayo posterior de Preskill sobre NISQ (2018) describía una era de dispositivos con decenas o cientos de qubits ruidosos, lo bastante interesantes para realizar experimentos difíciles de simular, pero todavía sin la protección de una corrección de errores plenamente tolerante a fallos. Los experimentos de muestreo del tipo «supremacía» encajan de forma natural en esa era: se preguntan si un dispositivo ruidoso puede superar a la simulación clásica en una tarea hecha a medida.

Los algoritmos útiles y a gran escala que se describen en los libros de texto suelen presuponer una máquina tolerante a fallos, en la que los qubits y las puertas lógicas son lo bastante fiables como para ejecutar circuitos profundos. Ese es un hito distinto de la supremacía, la ventaja o la utilidad. Un grupo puede comunicar avances en corrección de errores sin afirmar ninguna ventaja, y puede comunicar un experimento del tipo «supremacía» sin tener un qubit lógico.

Mezclar estos niveles —«hemos demostrado la supremacía, así que los algoritmos útiles ya están aquí»— es el salto más habitual en los textos divulgativos. Los propios artículos experimentales rara vez dan ese salto.

Una prueba de lectura para cualquiera de las tres afirmaciones

Sea cual sea la palabra que elija un anuncio, se aplican las mismas preguntas:

• Tarea. ¿Qué entrada se proporciona, qué salida se produce y por qué esa salida es difícil de obtener de forma clásica?
• Dispositivo cuántico. ¿Cuántos qubits, qué modalidad, qué profundidad de circuito y qué mitigación o corrección de errores se usó?
• Referencia clásica. ¿Qué algoritmo, qué máquina, cuánto tiempo y cuánta memoria, y quién eligió la implementación: el equipo cuántico o un grupo clásico independiente?
• Verificación. ¿Cómo se sabe que la salida cuántica es correcta cuando el problema es demasiado grande para simularlo de forma exacta?
• Estabilidad de la afirmación. ¿Algún método clásico posterior ha reducido ya la diferencia? Las afirmaciones de supremacía y de ventaja pueden encogerse sin que haya ningún error en el experimento original.
• Utilidad. ¿La tarea es algo que un usuario ajeno al experimento quería resolver, o es una prueba construida para la comparación?

Si esas respuestas están en el artículo o en la entrada técnica del blog, la palabra del titular importa menos. Si no lo están, la palabra del titular no puede suplirlas.

Cómo usa DesignQuantum^™ estos términos

En nuestras noticias preferimos repetir la comparación que realmente hizo el grupo que hace el anuncio, con sus propias palabras atribuidas, y después enlazar al artículo o a la entrada. Solo usamos «supremacía», «ventaja» o «utilidad» con voz propia cuando está claro a qué comparación nos referimos. Cuando un comunicado usa una de estas palabras sin una comparación, lo tratamos como una afirmación de quien habla, no como un resultado que hayamos evaluado de forma independiente.

El vocabulario seguirá cambiando. Lo que no debería cambiar es la exigencia de que una afirmación computacional nombre su tarea y su referencia.