Límites al aprendizaje automático cuántico
Encuentran un teorema que abre un agujero en el experimento mental de Hayden-Preskill.
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Como todos sabemos, desde hace unos años se habla mucho de la computación cuántica, que se basa en el alto paralelismo que proporcionarían los estados cuánticos superpuestos. Aunque no se espera que haya computadores cuánticos plenamente funcionales antes de 30 años.
Además, hay que implementar algoritmos que sacan rendimiento de estos computadores, pues si se usan algoritmos clásicos en computadores cuánticos no se consigue gran cosa.
Asimismo, en tiempos recientes se han desarrollado programas para computadoras convencionales que simulan redes neuronales de aprendizaje profundo. Estos programas, que son una modalidad más de inteligencia artificial, pueden ser entrenados para realizar diversas funciones.
El aprendizaje automático cuántico es una nueva área de investigación que trata de combinar la Mecánica Cuántica y el aprendizaje automático. Los algoritmos de aprendizaje automático cuántico intentan sacar ventajas de la información cuántica para así mejorar el aprendizaje automático clásico. Así, por ejemplo, se intenta desarrollar algoritmos más eficientes que sustituyan a algoritmos clásicos pesados mediante computación cuántica.
Por otro lado, tenemos a los agujeros negros, objetos que generan problemas a la hora de comprender qué es lo que ocurre a la información que cae en ellos. En el pasado se había llegado a la conclusión de que en estos objetos se destruía la información, algo que contradice otros postulados de la Física. En tiempos recientes se ha venido empleando el análisis cuántico para saber qué es lo que realmente está pasando con la información en los agujeros negros.
Los trabajos que se hacen sobre estos cuerpos son generalmente teóricos (gracias a LIGO esto está cambiando) y nos sirven para comprobar lo adecuadas que son nuestras teorías a la hora de describir la realidad física. Así que algunas veces se puede llegar a ciertos teoremas si tomamos como axiomas matemáticos los postulados y teorías físicas que se aceptan como verdaderos.
Ahora, un nuevo teorema del campo del aprendizaje automático cuántico publicado hace poco ha abierto un agujero importante en la comprensión que se tenía hasta ahora sobre la codificación de información.
«Nuestro teorema implica que no vamos a poder utilizar el aprendizaje automático cuántico para aprender procesos típicos aleatorios o caóticos, como los agujeros negros. En este sentido, coloca un límite fundamental en la capacidad de aprendizaje de procesos desconocidos», dice Zoe Holmes (Laboratorio Nacional de Los Alamos).
Añade que, afortunadamente, debido a que la mayoría de los procesos físicamente interesantes son lo suficientemente simples o estructurados para que no se parezcan a un proceso aleatorio, los resultados del nuevo trabajo no condenan al aprendizaje automático cuántico, sino que destacan la importancia de comprender sus límites.
En el clásico experimento mental de Hayden-Preskill, una Alice ficticia arroja información, como por ejemplo un libro, a un agujero negro que revuelve el texto. Su compañero, Bob, todavía puede recuperar la información del libro mediante el entrelazamiento cuántico. Sin embargo, el nuevo resultado demuestra que las limitaciones fundamentales en la capacidad de Bob para aprender los detalles de la física de un agujero negro determinado significa que reconstruir la información original que había en el libro será muy difícil o incluso imposible.
«Cualquier información que se ejecute a través de un codificador de información, como un agujero negro, llegará a un punto en el que el algoritmo de aprendizaje automático se estancará en una meseta estéril y, por lo tanto, se volverá intransitable. Eso significa que el algoritmo no puede aprender los procesos de codificación», dice Andrew Sornborger. Este investigador es el director del Centro de Ciencias Cuánticas en Los Alamos.
Las mesetas estériles son regiones en el espacio matemático de los algoritmos de optimización donde la capacidad de resolver el problema se vuelve exponencialmente más difícil a medida que aumenta el tamaño del sistema que se está estudiando. Este fenómeno, que limita severamente la capacidad de entrenamiento de las redes neuronales cuánticas a gran escala, fue descrito en un artículo reciente por un equipo de Los Alamos.
«El trabajo reciente ha identificado el potencial del aprendizaje automático cuántico como una herramienta formidable en nuestros intentos de comprender sistemas complejos. Nuestro trabajo señala consideraciones fundamentales que limitan las capacidades de esta herramienta», dice Andreas Albrecht (UC Davis), coautor de la investigación.
En el experimento mental de Hayden-Preskill, Alice intenta destruir un secreto, codificado en un estado cuántico, arrojándolo al codificador más rápido de la naturaleza: un agujero negro. Bob y Alice son el típico dúo cuántico ficticio que suelen utilizar los físicos para representar agentes en un experimento mental.
Se podría pensar que esto haría que el secreto de Alice fuera bastante seguro, pero Hayden y Preskill argumentaron que si Bob conoce la dinámica unitaria implementada por el agujero negro y comparte un estado de entrelazamiento máximo con el agujero negro, entonces le es posible descodificar el secreto de Alice mediante la recopilación de algunos fotones adicionales emitidos por el agujero negro. Pero esto genera una pregunta: ¿cómo podría Bob aprender la dinámica implementada por el agujero negro? Pues bien, los autores de este trabajo sostienen que Bob no puede hacer eso mediante el uso del aprendizaje automático cuántico.
Una pieza clave del nuevo teorema desarrollado por Holmes y sus coautores asume que no hay conocimiento previo del codificador cuántico, una situación que es poco probable que ocurra en la ciencia del mundo real.
«Nuestro trabajo llama la atención sobre la tremenda influencia que incluso pequeñas cantidades de información previa pueden jugar en nuestra capacidad para extraer información de sistemas complejos y potencialmente puede reducir el poder de nuestro teorema», dice Albrecht.
Este investigador añade que nuestra capacidad para hacer eso puede variar mucho entre diferentes situaciones y que es probable que la investigación futura arroje ejemplos interesantes, ambas situaciones en las que el nuevo teorema permanece plenamente en vigor y otros en los que pueda ser evitado.
Estamos ante un ejemplo más de los límites que el Universo ha impuesto a lo que podemos conocer, no ya como humanos, pues nunca podremos viajar a un agujero negro a hacer este tipo de experimentos, sino incluso es también impuesto a una superinteligencia que esté basada en redes neuronales cuánticas.
Copyleft: atribuir con enlace a https://neofronteras.com
Fuentes y referencias:
Artículo original.
Preprint en ArXiv.
Imagen: Los Alamos National Laboratory.
17 Comentarios
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lunes 17 mayo, 2021 @ 6:43 pm
El Universo, ¿conspirando o controlando la cantidad de información que podemos obtener sobre él mismo? Esto suena a ‘mística’ o incluso religión. ¿No será que somos bastante tontos?.
Y una pregunta,o varias ¿ Qué significa lo de la dinámica unitaria implementada por el agujero negro? ¿Tiene algo que ver con la evolución de los estados cuánticos que son descritos por operadores unitarios? ¿ El agujero negro haría las veces de un operador unitario?
viernes 21 mayo, 2021 @ 12:09 pm
Lluís, emulando una jota de mi tierra:
No te rompas la cabeza
en cuestión de aujeros negros,
no te rompas la cabeza,
que el que se acerca se estira
y el que estira se la deja.
Ya ves que hasta de las jotas se aprende. Un abrazo.
viernes 21 mayo, 2021 @ 7:04 pm
Siempre se aprendió de las jotas. Que el Cosmos tiene límites eso es ya algo sabido y hasta relativamente aceptado (no pondría la mano en el fuego si ahora más o menos que antes, en perspectiva histórica, aunque a veces interesa mucho más la perspectiva histérica tanto en su campo semántico de elasticidad como en el de salud mental, o ambos), claro que en el fondo no sé si queremos comprender el Universo o nos conformamos con comprendernos a nosotros mismos. La cosa es que ambas historias (histerias) podrían ser la misma. O no. O sí. O no (esto es otra jota).
Aquí hay un punto interesante sobre todo si aceptamos que existe algo, llamémosle «inteligencia colectiva». Si admitimos que lo que sea que definamos como inteligencia (siempre será algo con capacidad de aprendizaje) no necesariamente exige consciencia, nuestros afamados hongos y otros ordenadores puramente analógicos, podríamos hablar de que, si no la especie humana como un todo, al menos grupos internos de ella, puedan tener algo, a falta de una definición mejor, llamable inteligencia colectiva. Digamos la capacidad de una comunidad humana de aprender más rápido porque todos sus miembros están a ello y se genera algo similar a una sinergia. Hay multitud de casos, de hecho la historia de la ciencia nos vende la moto de que en momentos brillantes puntuales, se producen avances inflacionarios, podríamos decir, gracias a los logros extraordinarios de un individuo. Mi opinión particular es que, sin evidemente negar el mérito de tales logros individuales, siempre, siempre, esos avances se producen porque hay una comunidad trabajando en ese sentido, y obviamente alguien tiene que encontrar la aguja en el pajar. Sea Darwin o Wallace, sea Newton o Leibniz. Otro problema para otro día es cómo funcionamos, o cómo funcionan las culturas donde nos imbuímos. Pero espero explicarme, que ni se me da bien ni con laconismo, ciertamente.
Lo que podríamos hablar ahora es del «silencio de Flyorov», concecto que me invento. Lo que hizo Flyorov fue una obviedad, constatar que a partir de 1940 la información que se publicaba en los medios internacionales del ramo cayó a cero patatero o casi, lo que le hizo sospechar (metidos ya en la Second World Human Sacrifice Consagration) que todo quisqui con capacidades estaba desarrollando, intentando desarrollar una bomba atómica, desarrollar en serio, muy en serio, evidentemente, informó otomáticamente al Padrecito y ahí se puso la maquinaria bolchevique a lo suyo, con un retraso respecto a nazis, japos, anglos y yankis. Ni que decir tiene que lo que la URSS publicaba al respecto, ya parco dada la paranoia oficial, se vino a cero y el silencio de Flyorov se autoconfirmó. Por motivos obvios. Esto también me da el instinto que tiene cierta relación con la «paradoja» de Fermi.
El silencio en el fondo no es absoluto. Lo que antes eran descubrimientos compartidos ahora era un enigma sobre enigma, no sólo investigar el problema en sí, sino tratar de inferir y deducir algo valioso de la información de inteligencia e espionaje. Como curiosidad, los americanos nunca se les ocurrió usar centrifugadoras para enriquecer el material fisible, se enteraron que lo hacían los soviéticos cuando los prisioneros de guerra alemanes, científicos, claro, comenzaron a volver a Alemania (a la RDA) en los años 50.
Me pregunto qué podría decirnos la Tontería Artificial de todo esto. Si es algo humano o puede ser algo más universal. Para terminar, sobre todo cuando algo está a punto de caramelo, esto que he llamado silencio de Flyorov es bastante recurrente, básicamente a largo plazo (diría que ni siquiera a medio plazo) es sostenible, aunque la ventaja que da puede o podría ser interesante en función de las circunstancias. P.ej., se sabe que Babbage reventó la cifra Vigenère, pero se mantuvo en secreto hasta que Casiski, pocos años más tarde, tuvo la ocurrencia de hacer el criptoataque público. Lo que se benefició la inteligencia británica y no se benefició la prusiana.
La IA se ha convertido en el campo de batalla geopolítico. Yo lo veo como la n-ésima actuación del drama Manhattan, por llamarle algo familiar próximo, sin embargo la probabilidad de que les estallase algo en la cara era más reducida que ahora (un suízo se hizo un Chernobyl en una gruta de los Alpes, pero eso fue en los 60), no estoy nada seguro que un día no nos levantemos y no funcione nada.
viernes 21 mayo, 2021 @ 7:08 pm
Básicamente a largo plazo, *NO* es sostenible, es lo que quería decir, evidentemente.
sábado 22 mayo, 2021 @ 11:07 am
¡Cuánto he echado de menos tus incomprensibles parrafadas, querido Dr.! Y ahora, ese maravilloso resumen. Supongo que es la respuesta a la última pregunta de Lluís, ¿evidentemente?
Un fortísimo abrazo de buenavuelta.
sábado 22 mayo, 2021 @ 7:47 pm
Bueno, lo del Dr. y lo de las ‘jotas’ está muy bien. Pero yo soy, aquí, en esta cuestión de ‘las censuras’ que el universo nos impone, más optimista. No descarto que el día de mañana podamos tener una ‘teoría final’ que explique ‘el todo’. Al fin y al cabo ‘solo’ se trata de unificar todas las fuerzas en una sola y ‘ period’. ¿ NO tenemos unificadas ya el electromagnetismo y la fuerza débil? También tenemos la ‘cromodinàmica cuántica’ la que se encarga de la fuerza fuerte. Bueno, queda colgada la gravedad, falta una teoría cuántica de gravedad, que se resiste más que mucho, pero ‘ estamos en ello’. En fin, solo hay que ver como han llegado los descubrimientos fundamentales que explicaban cosas para las cuales no había explicación posible, durante de siglos. Y a veces, esos descubrimientos surgieron de forma casual, por algún pequeño accidente, o por que no se había considerado la importancia de determinada cuestión. Estudios posteriores explicaron ese ‘accidente casual’ o la cuestión a lo que no se daba importancia, hasta que alguien se fijó atentamente en la ‘cuestión’.
Así que ¿por qué suprimir de un plumazo el ‘sueño de una teoría final’, aunque muy posiblemente teniéndola aún nos preguntaríamos por algunos pequeños detalles de esto y de lo otro.
En fin, que no me gusta ni pizca que el Universo, me ‘esté diciendo’ de ahí no vais a pasar, tíos. A no ser que el Universo, digámoslo ya de una vez, sea Dios.
Un desconcertante, pero sentido, abrazo a todos.
domingo 23 mayo, 2021 @ 10:28 am
Tienes toda la razón, Lluís: nos vamos del tema, aunque no del todo. Dr. viene a disertar sobre que hay toda abundancia de sabios discurriendo sobre la unificación y yo haciendo una broma sobre la dificultad. Tu insistes en tu deseo de que se resuelva, aunque lo de el gran Dios es peor que una derrota. A Dios se le piensa como algo personal e indetectable por definición; hay que aceptarlo por la fe. Pero el universo está ahí, parcialmente a nuestra vista y sabemos que formamos parte de él. Paciencia o trabajo si te consideras capaz. No sé si la cosa es unificar todas las fuerzas en una sola, porque ¿no habíamos quedado en que la gravedad no es una fuerza?
Un abrazo de consuelo.
lunes 24 mayo, 2021 @ 7:28 pm
Estimado Lluís:
La Naturaleza (o el Universo) impone sus límites, aunque no sea ni Dios ni tenga voluntad propia. Nosotros tampoco somos omnipotentes. Algunos de esos límites son absolutos, como el teorema de incompletitud de Gödel. Otros físicos, como el no poder saber a la vez la posición y la cantidad de movimiento de una partícula.
Luego están los económicos o prácticos. No podremos crear un acelerador que alcance el límite de Planck, por ejemplo.
Yendo al caso, hay problemas que son simplemente incomputables y que ni con un computador cuántico se podrán resolver.
Personalmente creo que no llegaremos a muchos de esos límites porque antes de eso nuestra civilización colapsará. Es ya casi inevitable.
martes 25 mayo, 2021 @ 10:10 am
Refiriéndome al último párrafo de Neo, y emulando a mi admirado Anatole France, si él pronosticaba que el fin de la humanidad acaecería aplastado por inmensas cantidades de papeles, entre los que supongo habría documentos, libros, etc., pienso que acierto si profetizo que nuestro final, será el fenecer envueltos en basura, como esos dos desafortunados en el vertedero de Zaldivar, con la variante de que estaremos atiborrados de ella en todos nuestros órganos y seguramente con poco tolerables dosis de radiación. Sé que el fondo de los océanos está cubierto, también flotan superficies casi continentales, así que las aguas intermedias no pueden estar muy limpias.
Final tan sucio como nuestras actividades que han generado esa ingente cantidad de porquería. No sé si, conseguida ¿? la fusión controlada, esa posiblemente inmensa cantidad de energía cabría utilizarla para enviar fuera del Sistema Solar lo que hemos generado en tierra, mar, aire y espacio próximo. O quizá idear algún método para hundirlos en el manto, pero no sé cómo, siendo mucho menos densa. Posiblemente son ideas desesperadas.
jueves 27 mayo, 2021 @ 7:39 pm
Al hilo del comentario de Neo, y aunque no fuéramos a colapsar como civilización en un tiempo considerablemente largo, parece que podríamos decir, como en plan de broma se dijo al encontrar el bosón de Higgs, ‘señores, hemos acabado la Física, ya pueden irse a sus casas’.
Si no podemos ir más allá por ‘culpa’ de Gödel, o por ‘culpa’ del Principio de Incertidumbre’, demos entonces por ‘terminada’ la Física,( y por extensión toda la ciencia) conformémonos con lo que tenemos y fin de la historia.
viernes 28 mayo, 2021 @ 12:00 am
Hace tiempo que tengo una duda: inmediatamente que se forma un agujero negro, cualquier masa que cae hacia el se ve “ralentizada” desde el punto de vista del resto del universo debido a la dilatación temporal en las cercanías del horizonte de sucesos, hasta el punto de parecer “congelada” antes de llegar a este horizonte¿no implica esto que, desde el punto de vista del resto del universo no puede incrementar su masa en un tiempo finito ( y por tanto nunca). Aún peor ¿no podría implicar que la formación del agujero negro con su horizonte de sucesos requiere un tiempo infinito para completarse, y por tanto lo que hay en el universo son objetos “muy parecidos a agujeros negros” pero que en realidad no lo son?
sábado 29 mayo, 2021 @ 10:01 am
No, Lluís, no. Queda mucho intermedio por conocer. Esos límites no lo son para todo.
lunes 31 mayo, 2021 @ 6:31 am
Pensando en la civilización más avanzada que podamos concebir, el Punto Omega tampoco logra ser omnipotente ni omnisciente: no puede predecir determinísticamente todos los eventos del futuro ni dar solución a la incertidumbre de Heisenberg. Tampoco es inmortal, no podría conseguir escapar a un gran desgarro final o marcharse a un universo paralelo.
Eso sí, una megarred neuronal como ese Omega se lo podría pasar pipa elucubrando como salvarse del Big Rip y acabar dándose de cabezazos contra los agujeros negros al percatrase de que no hay forma antes de que desaparezcan y ya solo pueda pensar. De modo que ni siquiera me la imagino tan contenta y encantada de haberse conocido como dicen los teólogos que está Dios en los cielos.
lunes 31 mayo, 2021 @ 5:50 pm
Bueno, amigo Miguel. El Punto Omega es un contrasentido de Chardin; una contradicción manifiesta pues le admite una evolución hacia la unión con el Espíritu Santo desde lo material sin principio. O sea, tontería hacia tontería. Así que mejor dejarlo en la nube de los imposibles imaginados.
martes 1 junio, 2021 @ 1:37 am
El del jesuíta lo dejamos ya mismo, pero no me fastidioses, mio caro Tomás, que yo seguía hablando de los límites de una civilización avanzada y v.m. lo sabe perfectamente. Sin considerar posibles fusiones con la cuerno de Odín o la flauta de Bartolo. ¿O sí? XD
martes 1 junio, 2021 @ 10:46 am
PDT cuanto quieras, que estás en tu derecho y posible necesidad porque, además, no voy contra ti, sino contra el jesuita por su artificiosa construcción puntual.
jueves 3 junio, 2021 @ 2:15 am
De un blog de filosofía, comenta «La complejidad actual es producto de una larguísima etapa de formación, sistemas complejos acumulándose sobre sistemas más simples, desde un origen absolutamente simple—y el futuro verá el decrecimiento de la complejidad, a más corto o a más largo plazo.
Lo que desconcemos es si estamos en una fase relativamente temprana, o relativamente tardía, de la historia de los sistemas complejos.
¿seremos capaces de desarrollar un régimen sostenible, no para la eternidad, pues el ser humano está abocado a la extinción, sino durante un tiempo razonablemente largo? ¿Un régimen en el que sea posible mantener la complejidad cultural alcanzada o al menos gran parte de ella?
«es posible que los seres humanos estén genéticamente programados para extraer una mayor cantidad de materia y energía de la que precisan para asegurar su supervivencia y su reproducción. De ser esto efectivamente cierto, ¿habrá que pensar que los seres humanos tienden genéticamente a rebasar las circunstancias Goldilocks que delimitan su exsitencia en el planeta Tierra? Si así fuera, ¿habrá esperanza de poder domeñar este instinto biológico con ayuda de la cultura? ¿Cuáles son las circunstancias sociales que podrían favorecer este tipo de conducta?»
Y concluye su reflexión: » No cambiaremos, no nos cambiaremos, a menos que las circunstancias nos cambien y nos fuercen a cambiarnos, y no será bonito de ver. ciudad viejaEl pasado es una larga historia de brutalidad y horrores, que también tiene muchos elementos de sweetness and light. Probablemente también lo será el futuro—en gran parte de él no nos reconoceríamos, como no nos reconoceríamos a gusto en nuestros ancestros no tan remotos. Queda por ver si es tan largo como el pasado, el futuro éste incierto y no muy agradable. »
http://vanityfea.blogspot.com/2011/10/somos-siete-mil-millones.html