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Computación, desde lo clásico a lo cuántico: Quantum Computing

Actualizado: hace 6 días

Cuando la evolución digital parece amortiguar la Ley de Moore aparece uno de muchos futuros posibles con la computación cuántica.

A raíz de una conversación que tuve con alguien a quién no veía desde hace años, me puse a leer un poco sobre el estado actual de la computación cuántica al tiempo que recordaba viejas épocas de estudiante de ingeniería.

Cuando estudié computación, entre IBM PC XT/AT, Talent MSX, Sinclair 1000, Apple Macintoch y otras joyas de las décadas de los 80/90 los que estudiábamos hardware y software en esos años podíamos vislumbrar un futuro prometedor basado en bits. Difícil de imaginar hasta dónde llegaría la evolución tecnológica pero siempre la imaginación estuvo enmarcada en el bit. Los que estudiamos ingeniería por ese entonces pudimos aprender Física Electrónica como un derivado de la Física Quántica, viendo lo que pasaba con los huecos y electrones con el nivel de Fermi, cuando pasaban de la banda de valencia a la banda de conducción y viceversa. En esa época lo que hoy es computación clásica era algo nuevo y revolucionario tanto que este enfoque tecnológico ha sido el precursor de la revolución de Internet, es decir, era algo muy lejos de ser computación clásica. En esa época el rey tecnológico era el bit. Difícil era entonces pensar en algo como el qbit.

De lo clásico a lo cuántico

La computación cuántica es un nuevo enfoque tecnológico que usa principios de física fundamentales distintos a los clásicos para resolver problemas extremadamente complejos y de manera muy rápida.

La computación cuántica no es algo que esté en uso masivo actualmente, ni siquiera es una es una tecnología estable. No obstante, ya en el 2022, gobiernos de distintos países han invertido $34 billones de dólares. Y las principales corporaciones tecnológicas como Microsoft, IBM y Google continúan con sus inversiones en la materia, como también lo hacen en el sector de las startups. Entonces, ¿porqué hay toda clase de inversores que están haciendo sus apuestas por esta tecnología?

La tecnología cuántica prometa un enorme avance que hace que valga la pena afrontar los desafíos para superar sus limitaciones actuales.


Del bit al qbit

En la computación clásica, mencionada al principio de este texto, la unidad de información es el bit, mientras que en la computación cuántica la unidad de información es el qbit.

Un bit es una unidad de información cuyo valor puede ser 0 o 1, es decir puede tener uno solo de dos valores posibles. Un qbit es una unidad de información que puede tener un valor 0 o 1 o ambos valores simultáneamente. A este fenómeno se le llama superposición. Mientras un bit puede tener un solo valor o estado, un qbit puede tener múltiples valores o estados.

Cuando un procesador clásico resuelve un problema con múltiples variables, éste tiene que hacer un nuevo cálculo cada vez que la variable cambia de valor. En un procesador cuántico se pueden realizar cálculos simultáneos por cada valor simultaneo que tenga un qbit. Y lo que es más asombroso, un qbit podría tener cientos de miles de estados y hasta millones de estados posibles al mismo momento en que un bit puede tener solo dos.

A su vez, los procesadores cuánticos tienen una propiedad física que hacen que los qbits se puedan interrelacionar. Al interrelacionar dos qbits se puede lograr que ambos se comporten exactamente igual aún cuando estos estén separados. A esta propiedad se la denomina interrelación o relación.

Con estos dos fenómenos físicos se logra una velocidad de procesamiento tan alta que hace que las computadoras más veloces de la actualidad puedan considerarse lentas. Para resolver un problema en un procesador cuántico, como la entrada está dada por qbits, cada qbit interactúa con otros qbits y realizar diferentes calculos simultáneamente. Esta es la razón por la que los procesadores cuánticos pueden ser más rápidos que los clásicos.

Principales obstáculos de la computación cuántica

Como sucede con muchas cosas en la tecnología (y en la vida), las principales ventajas de la tecnología cuántica presentan obstáculos que dificultan su desarrollo. En este caso, al hablar de procesamiento quántico, estamos hablando de algo tan veloz que es difícil de mantenerlo estable y por lo tanto confiable. Es de aquí que los obstáculos más desafiantes son los derivados de la decoherencia como opuesto a la coherencia de las partículas. En computación cuántica todo está basado en partículas como electrones.



Cuando estas partículas se logran comportar de manera ordenada o coherente es cuando se logran obtener los mejores resultados. Pero se estas partículas se comportan de una manera desordenada estamos en presencia de decoherencia y esto conlleva a malos resultados. La coherencia necesaria se logra a temperaturas tan bajas como el cero absoluto. En consecuencia los obstáculos más notorios para lograr coherencia son:

  • Estabilidad, en todo fenómeno físico la alta velocidad puede generar inestabilidad, fallos o errores. Aunque el ambiente sea de altísima velocidad, los Qubits necesitan conservar su estado cuántico para poder interactuar entre sí. Incluso en condiciones ambientales específicas, eventualmente se degradarán. Para que las computadoras cuánticas funcionen a escala, las operaciones de puerta deberán moverse muy rápidamente para completar los cálculos antes de que los qubits se degraden. Los procesadores cuánticos deben evolucionar tanto en estabilidad como en control de errores.

  • Control térmico y ambiental. En la computación clásica ha sido un desafío optimizar tanto en el consumo de energía como la disipación de calor. En el procesamiento cuántico resurge este tipo de desafíos.

  • Escalabilidad. los puntos descriptos previamente se hacen más difíciles en tanto se pretende crecer en cantidad de qbits de un procesador como en el procesamiento paralelo o interconexión de más de un procesador cuántico.

  • Rangos, en lugar de respuestas. La naturaleza de la mecánica cuántica también presenta obstáculos para el aumento exponencial de la velocidad. Las computadoras actuales funcionan de una manera muy sencilla: manipulan un conjunto limitado de datos con un algoritmo y dan una respuesta. Las computadoras cuánticas son más complicadas. Después de ingresar múltiples unidades de datos en qubits, los qubits se manipulan para interactuar con otros qubits, lo que permite realizar varios cálculos simultáneamente. Ahí es donde las computadoras cuánticas son mucho más rápidas que las máquinas actuales. La simultaneidad de los cálculos hace que con una alta frecuencia se presenten como resultado un rango de respuestas en lugar de sólo una. Obtener un rango en lugar de una única respuesta hace que las computadoras cuánticas parezcan menos precisas que las computadoras actuales. Esto es cierto para los cálculos de alcance limitado, que es una de las razones por las que las computadoras cuánticas no reemplazarán a los sistemas actuales. En cambio, las computadoras cuánticas se utilizarán para diferentes tipos de problemas, increíblemente complejos en los que eliminar una enorme gama de posibilidades ahorrará una enorme cantidad de tiempo.

Aunque estas dificultades hagan de la computación cuántica un camino complejo las grandes corporaciones y países siguen invirtiendo para superar estos escollos. En cualquier caso el futuro más probable es el del trabajo complementario en dónde las computadoras clásicas deriven procesamientos complejos a procesadores cuánticos y capturen los resultados para continuar con su lógica de trabajo. Es decir un trabajo en complemento.

¿Para qué computación cuántica?

Para el machine learning y la inteligencia artificial. Ambas actividades se apoyan en las arquitecturas más poderosas y veloces de los procesadores clásicos. Las IA y el ML presentan sus limitaciones frente a problemas multivariantes complejos. Estas limitaciones podrán ser soslayadas con las capacidades de los procesadores cuánticos que poseen de manera intrínseca esta capacidad de trabajar con estados multivariantes y con velocidad increíble.

La dinámica de los mercados hace que cada industria dependa de una forma u otra de distintas formas o procesos de optimización frente a distintos escenarios. ¿Cómo mejoro mi red de distribución frente a la incorporación de nuevos productos?¿Cómo explotar al máximo la capacidad de un set de robots frente a la asignación de nuevas tareas? ¿Cómo comunico mejor una nueva oferta de servicios a nivel mundial? ¿De cuantas maneras distintas puede reaccionar un mercado frente a un plan de eliminación del déficit presupuestario por parte de un gobierno? Hay casi infinitas preguntas que deben responderse para optimizar la eficiencia y la creación de valor. Con la informática clásica, las empresas deben realizar un cálculo complicado tras otro, lo que puede ser un proceso costoso y que requiere mucho tiempo dadas las muchas variables potenciales de una situación. Dado que una computadora cuántica es capaz de trabajar con múltiples variables simultáneamente, puede usarse para reducir rápidamente el rango de posibles respuestas. A partir de ahí, se puede utilizar la computación clásica para concentrarse en una respuesta precisa.

Presente y futuro del procesamiento cuántico

Ya existen numerosas corporaciones y start-ups trabajando en esta arena. Ejemplos de esto son IQM y D-Wave. Las inversiones se suceden en todos los ámbitos, tanto a nivel privado como a nivel gubernamental.

Las inversiones a nivel privado parecen disminuir en 2023

Pero en 2024 hay un crecimiento de start-up's especialmente en America. Tal es el caso por ejemplo de /q99 que está liderado por Facundo Martín Diaz.

Coplilot arroja el siguiente comentario "A medida que nos adentramos en 2024, existe un creciente optimismo a largo plazo en torno a la computación cuántica. Las predicciones indican que la computación cuántica podría desbloquear la asombrosa cifra de 1,3 billones de dólares en múltiples industrias para 2035...."

En la década del 60 la posibilidad de comunicarse con un dispositivo móvil era solo una ilusión plasmada en la serie Star-Trek y hoy es una realidad dónde el dispositivo móvil es algo ubicuo e imprescindible. en los 70 muy poca gente pensaba que una red anárquica de telecomunicaciones pudiera tener lugar a nivel global y hoy internet no solo es esta red sino que es la base para el desarrollo económico y social. La computación cuántica es un fenómeno estudiado desde hace ya décadas. En 1900 Max Planck define el concepto del cuanto. En 1980 Poul Benioff diseña un modelo cuántico de la máquina de Turing e inventa el cubit. Por esos años Richard Feynman propone la construcción de computadoras cuánticas. Entre 1992 y 1994 se desarrollan los algoritmos de Deutsch-Josa para procesamiento simultáneo, el de Shor para romper cifrados y el de Grover para búsquedas en bases de datos todos aprovechando la velocidad del procesamiento cuántico. Así parece que la computación cuántica va en un camino análogo el de los dispositivos móviles y/o internet, yendo desde lo imaginario a lo real y luego necesario.



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