En primer lloc, cal de dir que els ordinadors quàntics no són una simple evolució dels ordinadors actuals, són una tecnologia completament disruptiva, no tenen res a veure. Els ordinadors actuals es basen en el transistor com a element base i la nostra capacitat de procés amb ells segueix augmentant ja que s’ha aconseguit produir-los cada vegada amb una grandària menor.
A dia d’avui, la grandària mínima d’un transistor és de 14 nm, per tenir una idea, això és 300 vegades més petit que un glòbul vermell. Aquesta capacitat de miniaturització dels components bàsics de la microelectrònica té un límit al que ens estem acostant. Els límits de la física estableixen que a partir de certa grandària, se sap que els efectes quàntics en els àtoms dels que estan compostos aquests transistors faran inviable el seu funcionament.
Aquí és on apareixen els ordinadors quàntics, són la resposta al límit de capacitat de procés amb el que ens trobarem d’aquí poc temps degut al límit de capacitat de la miniaturització.
Un ordinador quàntic és un dispositiu de computació que fa ús de fenòmens mecànics quàntics, com la superposició i l’entrellaçament. Es poden utilitzar per a representar i estructurar dades, així com dissenyar i construir mecanismes quàntics per realitzar diverses operacions amb ells.
Aquesta tecnologia és tan interessant per una simple raó: aquests fenòmens generen una potencia de procés mai vista. Per això es converteix en un desenvolupament amb la possibilitat de revolucionar el món de la computació. Les màquines quàntiques prometen superar inclús als superordinadors existents i a tots els que es puguin construir en el futur. A més, el seu consum energètic és increïblement inferior al dels actuals superordinadors.
Això no suposa la suplantació definitiva de la computació tradicional. L’ordinador clàssic seguirà sent, a mitjà termini, la solució més senzilla i econòmica per a resoldre la majoria dels problemes. El que permeten els ordinadors quàntics, donada la seva capacitat de gestió de dades, és la possibilitat d’impulsar avanços disruptius en diversos camps, des de la ciència, enginyeria, fins a la investigació farmacèutica.
La clau: els qubits
Tots els sistemes informàtics depenen de la capacitat fonamental per emmagatzemar i manipular informació. Les computadores convencionals manipulen bits, que emmagatzemen informació com a estats binaris 0 i 1 en els transistors. Un transistor, un bit, emmagatzema un 0 o un 1 en un instant determinat. Els ordinadors quàntics aprofiten els fenòmens mecànics quàntics per manipular informació, basant-se en bits quàntics o qubits.
Els qubits són partícules subatòmiques tals com electrons i fotons. Aquests compten amb les propietats quàntiques de superposició i entrellaçament.
– La superposició fa referència a la possibilitat dels qubits per a representar nombroses combinacions possibles d’1 i 0 al mateix temps. Pot representar, a diferència d’un bit, un 0 o un 1 al mateix temps, concepte que trenca qualsevol lògica humana. Si ho analitzem des del punt de vista de la resolució d’un problema, una computadora clàssica primer ha d’analitzar un camí, desprès anar al següent i així fins a trobar la solució al problema. Un ordinador quàntic pot estar en tots els estats diferents a la vegada, recórrer tots els camins alhora, amb el que trobarà la solució de forma gairebé instantània.
– L’entrellaçament, és la generació de parells de qubits entrellaçats, la qual cosa significa que dos membres d’un parell existeixen en un sol estat quàntic. Al canviar l’estat d’un del qubits, es pot predir el canvi del seu parell. Aquest fenomen inquietant i extraordinari permet que dues partícules separades entre si per una distància monstruosa siguin capaces de “comunicar-se” sense que existeixi res, cap canal de transmissió, entre les dues. A aquest estrany fenomen, que trenca per complet la nostra manera d’entendre el món, l’anomenarem entrellaçament quàntic. Ningú sap exactament com funciona, però és una altra de les claus per entendre el poder dels ordinadors quàntics.
Tots dos fenòmens mecànics permeten que un grup connectat de qubits proporcioni una capacitat de procés infinitament superior, que la mateixa quantitat de bits binaris.
Les propietats de superposició i d’entrellaçament que són la base de la física quàntica, per tant, dels ordinadors quàntics, no són intuïtives, simplement no les podem entendre ja que són comportaments que es donen en el món microscòpic, en el món de les partícules subatòmiques, no es donen en la naturalesa que observem, van en contra de la nostra intuïció o pensament científic.
No hem de preocupar-nos sinó ho entenem, simplement hem d’acceptar que existeixen, tal com va sentenciar el famós físic Richard Feynman, Premi Nobel de Física de 1965, “crec que puc afirmar, sense por d’equivocar-me, que ningú entén la Física Quàntica”.
El desafiament: La gestió i generació de qubits.
Per crear un ordinador quàntic, és imprescindible mantenir un objecte en estat de superposició el temps suficient per a dur a terme la quantitat de processos que es requereixin. Desafortunadament, això no és sempre possible atès que contínuament perd aquest estat de superposició, que se’l coneix com decoherència, convertint-se així en un bit clàssic.
Diferents empreses estan abordant el desafiament de la decoherència des de diferents angles, ja sigui per a usar processos quàntics més robustos o per a trobar diferents formes de detectar errors.
Empreses com IBM, Google i Rigetti Computing, utilitzen circuits superconductors refredats a temperatures pròximes al zero absolut (-273,15 ºC). Altres empreses com IonQ, atrapen àtoms individuals en camps electromagnètics en un xip de silici en cambres d’ultra alt buit. Totes aquestes estratègies amb un objectiu comú: aïllar els qubits en un estat quàntic controlat.
Aplicacions de la computació quàntica.
En les àrees on les computadores actuals requeririen milers de milions d’anys per resoldre alguns dels problemes més complexos del món, els ordinadors quàntics podrien trobar la solució en només minuts, hores o dies.
Aquí algunes aplicacions sorprenents, que podran desenvolupar-se exponencialment gràcies als ordinadors quàntics:
Machine Learning.
La Intel·ligència Artificial (IA) ha de poder analitzar conjunts enormes de dades, imatges, vídeos i textos. En aquest moment no escasseja la quantitat de dades, podríem dir que es troba en una fase de sobreabundància. Els ordinadors quàntics permetrien analitzar i gestionar més dades en molt menys temps, gràcies a la seva potència per a processar els petabytes de dades que encara no han estat analitzats.
També, els ordinadors quàntics podrien potenciar l’aprenentatge automàtic multisectorial en permetre que els programes de IA busquin en aquests conjunts de dades gegantesques elements relacionats amb la recerca mèdica, el comportament dels consumidors i els mercats financers, i els hi donin sentit.
Optimització.
Cada procés pot tenir infinitat de variables, amb els ordinadors quàntics una màquina pot ser capaç de manejar gairebé innombrables permutacions i combinacions, la qual cosa podria fer avançar el disseny i l’anàlisi de sistemes de manera massiva.
Per al sector de la logística l’optimització és el denominador comú de totes les transaccions i processos. La computació clàssica s’utilitza per a l’organització de rutes, flotes de vehicles, maneig de dades en temps real, etc., que a la llarga es poden convertir en processos massa complicats per a una solució clàssica, per la qual cosa un enfocament quàntic es convertirà en una gran alternativa.
Cal pensar, a més, que el Physical Internet, del qual ja he parlat en un altre article, i que promet ser el motor definitiu de l’optimització de la logística mundial necessitarà d’una gran quantitat de procés en temps real per a ser operatiu. La computació quàntica pot ser la solució definitiva per a la seva implementació.
Simulacions biomèdiques.
Els ordinadors quàntics seran capaços de crear, simular i modelar estructures moleculars. Ja a la Universitat de Harvard al 2012, es va utilitzar un ordinador quàntic, D-Wave One, per a resoldre la forma en la que es pleguen algunes proteïnes.
https://www.dwavesys.com/news/harvard-researchers-use-d-wave-quantum-computer-fold-proteins
Serveis financers.
El primer ordinador quàntic comercial el D-Wave 2000Q, ha estat implementat per D-Wave, una companyia recolzada per GoldmanSachs i Bezos Expeditions. Es tracta d’un sistema quàntic amb 2.000 qubits i controls avançats de funcions.
Els sistemes podrien ser utilitzats per a l’elaboració de models financers complexos i la gestió de riscos dins de la indústria financera. Podria ajudar a trobar noves formes de modelar dades financeres i a aïllar factors crítics de risc global.
Indústria Química.
La indústria química, per exemple, pot treballar per a identificar un nou catalitzador per a fertilitzants que ajudi a reduir emissions d’efecte d’hivernacle i millorar la producció mundial d’aliments. Això requereix de modelatge d’interaccions moleculars molt complexes per a les computadores clàssiques, però adequades per als ordinadors quàntics. Són moltes les possibilitats amb impacte significatiu que aquesta tecnologia obre dins de l’àrea de la química.
Ciència dels Materials.
La computació quàntica ajudarà en l’avanç de la ciència dels materials, creant noves alternatives i tecnologies més verdes. Una aplicació potencial és el desenvolupament dels superconductors d’alta temperatura, que permetrien la transmissió d’energia sense pèrdues. Els nous descobriments facilitats per els ordinadors quàntics ajudaran a identificar materials amb les propietats adequades per a la superconductivitat, un procés molt complex fora de l’abast de les computadores comuns.
+ sobre aplicacions:
Podran passar diversos anys fins que els ordinadors quàntics aconsegueixin el seu màxim potencial. Però si aquestes màquines compleixen les seves promeses, podrien transformar indústries senceres i impulsar la innovació global. Algunes companyies, com IBM i Google, afirmen que podríem estar a prop, ja que continuen agrupant més qubits i construint dispositius més precisos.
Encara que sigui a llarg termini i malgrat existeixen punts de vista contradictoris, en si és possible el seu desenvolupament; no cal oblidar que fa uns anys se’ns feia impossible que hi hagués cotxes sense conductor, que les pantalles mòbils poguessin doblegar-se o que la intel·ligència artificial sortís de les nostres pantalles de cinema a envair el món real. El desenvolupament de la innovació va a marxes forçades, existeixen encara barreres que creuar, però el temps dirà.
