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¿Qué es la computación cuántica?

Autor: Parque de Innovación

En octubre del 2019 Google anunció haber alcanzado la “supremacía cuántica”. Sus computadoras cuánticas habían logrado resolver un problema complejo en 3.3 minutos, lo que a la computadora tradicional más rápida del mundo le habría costado ¡10.000 años! A finales de 2020, la estadounidense Honywell anunció haber producido una computadora cuántica superadora.

¿Qué es y cómo funciona una computadora cuántica?

Cada vez producimos más –y más compleja- información. Con este constante incremento llega también un punto en donde las computadoras tienen dificultades para procesarla. Si bien es cierto que la computación tradicional experimentó enormes innovaciones que cambiaron radicalmente nuestra capacidad de realizar operaciones con ellas, la “arquitectura” para procesar información continuó siendo la misma.

Su principal diferencia reside justamente allí. En la actualidad, las computadoras utilizan bits, que almacenan la información de manera binaria, transformándola en 1 o 0. La computación cuántica, en cambio, utiliza qubits como una unidad mínima. Estos “bits cuánticos” se basan en números llamados amplitudes, los cuales pueden ser negativos, positivos e incluso complejos. En este caso, pueden tomar el valor de 0, 1 o – y aquí está la diferencia- ambos a la vez.

Esta tecnología se basa en mecánicas cuánticas que permiten la realización de operaciones de una manera más eficiente. Hay tres principios fundamentales que son esenciales para entender cómo funcionan los qubits:

Superposición: la propiedad que hace que una partícula pueda existir en dos estados distintos a la vez. A diferencia de los bits, que serán unos o ceros, los qubits pueden tomar cualquier valor dentro de esa amplitud –¡incluso varios a la vez! Para explicar este concepto, suele utilizarse una analogía musical: si tocamos dos notas musicales a la vez, escucharíamos una superposición de esas dos notas.

Entrelazamiento: sucede cuando dos o más partículas u objetos cuánticos se comportan como un sistema. Gracias a este entrelazamiento instrínseco, la medición de una partícula puede determinar la de la otra sin importar a qué distancia se encuentran y sin necesidad de medirla directamente.

Interferencia: al igual que los auriculares pueden leer las ondas ambientales y producir una onda opuesta para cancelar el sonido, los qubits utilizan esta propiedad controlar el estado de las partículas cuánticas, amplificar aquellas que apuntan a resultados correctos y cancelar las erróneas.

Para ejemplificar, si tuviera 2 bits podría escribir 4 combinaciones de números: 00 01 11 10. Con nombrar el primer y el segundo valor ya sabríamos cómo figura en el código. Como los qubits pueden estar en superposición, para determinar el valor de 2 de ellos deberíamos definir 4 coeficientes. Los 4 números son necesarios para definir el estado del qubit, en lugar de los 2 para los bits. Si tuviéramos 3 bits, definiríamos su valor con 3 números; en cambio, los qubits necesitarían 8 números. Dado este crecimiento exponencial pone de relieve el poder de superación de la capacidad de los bits.

El surgimiento y las principales aplicaciones de la computación cuántica

Los trabajos teóricos acerca de esta tecnología se remiten a finales de los años 70 –cuando Stephen Wiesner y Charlie Bennett utlizaron el término “teoría cuántica de la información”, pero fue recién en 2011 que la primera computadora cuántica comercial salió al mercado. La misma tenía un valor de USM10 millones, por lo cual indica que no se implica una venta o llegada masiva al público en general.

Durante un período inicial, se produjeron avances en el campo teórico, con hitos como el desarrollo del algoritmo de Shor y la definición de criterios mínimos para la creación de una computadora cuántica. En una segunda fase, que comienza en los años 2000, se llevaron a cabo experimentos y creció el desarrollo de hardware. Finalmente, en los últimos 10 años se concentran los esfuerzos en la construcción de computadoras más sofisticadas y con una cantidad de qubits considerablemente mayor, y el comienzo de servicios quantum en la nube.

Pero, ¿para qué sirve realmente la computación cuántica? O, mejor dicho, ¿para qué nos servirá? En primer lugar, hay que tener en cuenta que esta tecnología se encuentra en un estadío temprano de desarrollo y que todas sus aplicaciones son teóricas o han podido testearse sólo de manera parcial. Sin embargo, ya se identifican varios sectores en donde las oportunidades son enormes.

  • Optimización de portfolios financieros – modelado financiero
  • Desarrollo de drogas
  • Ciber-seguridad
  • Inteligencia artificial y machine learning
  • Transporte – optimización del tráfico
  • Cambio climático y predicción del clima
  • Descubrimiento y exploración de materiales

Una de las principales potencialidades de la computación cuántica es poder representar las mecánicas cuánticas que ocurren en nuestro planeta. Para entenderlo un poco mejor, tomemos el ejemplo de la molécula de café. Las computadoras tradicionales no son capaces de representar si quiera una parte de ella dado que la cantidad de información necesaria es muy grande. En otras palabras, la cantidad de 0 y 1 necesarios para representar una sólo molécula es cercana a 1048.

En cambio, gracias a las propiedades que exploramos anteriormente, con una computadora cuántica de 160 qubits sería perfectamente posible construir modelos que representen estas moléculas sin problemas. Este tipo de soluciones son extrapolables a muchas industrias, varias de las cuales mencionamos anteriormente.

¿Quiénes lideran el desarrollo de la computación cuántica?

Las grandes compañías tecnológicas como IBM, Google, Microsoft y Amazon son quienes lideran el mercado. Además, compañías de menor tamaño como Rigetti y D-Wave se destacan en el sector. Sin embargo, desde el sector financiero también dedican esfuerzos por desarrollar esta tecnología, en particular por el gran impacto que tendría esta tecnología en el manejo de portfolios y cuestiones de seguridad. Algunas empresas –que tienen alianzas con las compañías tecnológicas y forman parte de iniciativas como Q Network de IBM- son BBVA, JP Morgan Chase y Barclays.

Los centros de estudio más importantes también impulsan esta tecnología, realizando grandes avances en particular al comienzo del siglo. El MIT, la Universidad de Oxford, Berkeley y Stanford son algunos de ellos.

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A pesar de estar en una etapa muy incipiente de desarrollo, ya se registran significativas inversiones en startups especializadas: en 2017 y 2019 recibieron más de 450 millones de dólares. La canadiense D-Wave y Rigetti, de los Estados Unidos, son las startups más fondeadas del ecosistema con 210 millones y 119 millones de dólares respectivamente. La siguen la australiana Silicon Quantum Computing, con 66 millones y Cambridge Quantum Computing de Reino Unido, con 50 millones.

Los esfuerzos por desarrollar estas tecnologías no son ajenos al sector público. Gobiernos de distintos países alrededor del mundo impulsan medidas y destinan fondos para ello, en particular para achicar la brecha educacional –muy pocas personas direccionan sus estudios e investigaciones en esta ciencia. El gobierno chino destinó miles de millones para fomentar el estudio de la computación cuántica, mientras que el Congreso de los Estados Unidos aprobó en 2018 el “National Quantum Initiative Act”, una política para impulsar y acelerar investigaciones y su desarrollo con el fin de reforzar la seguridad económica y nacional del país.

Los impulsos y la evolución del sector también se ven reflejados en el aumento en la solicitud de patentes de computación cuántica, las cuales se triplicaron entre 2011 y 2018.

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Estos números, si bien no son equiparables a tecnologías disruptivas más extendidas, son significativos para una industria que aún necesita incrementar de manera exponencial la cantidad de qubits para que las computadoras puedan realizar tareas con aplicaciones en la realidad. De acuerdo a Martin Reynolds, VP Manager de Gartner, se necesitarán cientos de miles de qubits para poder abordar problemáticas reales que enfrentan los negocios. Con el objetivo en mente de duplicar la cantidad cada año, se estima que recién en 10 años podrán verse aplicaciones concretas.

Pero, ¿para qué sirve una computadora cuántica? Es importante aclarar que no reemplazarán a las computadoras tradicionales. Por ejemplo, es probable que revisar nuestro correo, navegar por internet o escribir un documento seguirá siendo más rápido de esta manera. El poder de la computación cuántica reside en la capacidad de resolver ciertas operaciones complejas y específicas y procesar una enorme cantidad de información con una velocidad sorprendente.

Esto se debe a que, por las propiedades cuánticas señaladas anteriormente, el número de operaciones necesarias para llegar a los resultados es exponencialmente menor. Mientras que las computadoras tradicionales procesan una operación por vez, la computación cuántica rompe con esa limitación.

Los desafíos a futuro de la computación cuántica

Esta tecnología tiene grandes desafíos. En primer lugar, aumentar la cantidad de qubits por computadora tiene una gran complejidad. Los chips cuánticos, donde se almacenan los qubits, son muy sensibles a cualquier cambio de temperatura, sonidos de ambiente y ondas electromagnéticas. Para mantenerse estables, deben estar almacenados en a una temperatura cercana al cero absoluto o, en celcius, alrededor de -237°. Esto permite la superconductivad que hace que los bits se comporten como qubits. Los qubits almacenan la información por un período de tiempo, el cual es llamado “tiempo de coherencia”. Cualquier tipo de interferencia produce una “decoherencia”, lo cual implica un fallo en el sistema.

Por otro lado, el avance de la computación cuántica significa un gran reto para las medidas de seguridad actuales. Su gran poder matemático podría romper los sistemas vigentes de encriptación. El impacto que podría tener la vulneración de información sensible de banco, gobiernos y empresas –por nombrar sólo algunos casos-  en un mundo globalizado y digitalizado sería enorme.

Paradójicamente, la computación cuántica representa también una gran oportunidad para mejorar la ciberseguridad. La misma capacidad matemática que podría “hackear” la seguridad actual podría también generar un sistema extremadamente impermeable para proteger la información. Por ello, este período de desarrollo tecnológico significa una gran oportunidad y, a la vez, un enorme desafío para que instituciones trabajen en actualizar y mejorar su seguridad de cara a una futura adopción de la tecnología. Los desarrollos de algoritmos de protección contra ataques “cuánticos” ya existen y reciben el nombre de “critografía post-cuántica”. Sin embargo, ninguno de ellos se demostró aún infalible a los ataques.

Te dejamos un breve video en donde IBM explica el funcionamiento de una computadora cuántica:

 

 

Fuentes:

[Youtube] How does a Quantum Computer Work? | Veritasium

[Youtube] The Hype Over Quantum Computers, Explained | CNBC

[Youtube] Quantum Computing Expert Explains One Concept in 5 Levels of Difficulty | WIRED

Quantum computing. A technology of the future already present, PwC, 2019

Quantum, National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, 2019.

Computing: Progress and Prospects. Washington, DC: The National Academies

Press.

IBM, What is quantum computing?

 

Imagen principal: Roche

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