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La computación cuántica: claves, desafíos y aplicaciones.

En primer lugar, hay que decir que los computadores cuánticos no son una simple evolución de los ordenadores actuales, son una tecnología completamente disruptiva, no tienen nada que ver. Los ordenadores actuales se basan en el transistor como elemento base y nuestra capacidad de proceso con ellos se sigue aumentado ya que se ha conseguido producirlos cada vez con un tamaño más pequeño. A día de hoy, el tamaño mínimo de un transistor es de 14 nm, para tener una idea, esto es 300 veces más pequeño que un glóbulo rojo. Esta capacidad de miniaturización de los componentes básicos de la microelectrónica tiene un límite al que nos estamos acercando. Los límites de la física establecen que a partir de ciertos tamaños se sabe que los efectos cuánticos en los átomos de que están compuestos esos transistores harán inviable su funcionamiento.

Aquí es donde aparecen los ordenadores cuánticos, son la respuesta al límite de capacidad de proceso con el que nos encontraremos dentro de poco tiempo debido al límite de la miniaturización.

Una computadora cuántica es un dispositivo de computación que hace uso de fenómenos mecánicos cuánticos, como la superposición y el entrelazamiento. Se pueden utilizar para representar y estructurar datos, así como diseñar y construir mecanismos cuánticos para realizar varias operaciones con estos.

Esta tecnología es tan interesante por una simple razón: estos fenómenos generan una enorme potencia de proceso, algo nunca visto. Por lo que se convierte en un desarrollo con la posibilidad de revolucionar el mundo de la computación. Las máquinas cuánticas prometen superar incluso a las supercomputadoras existentes y las que se puedan construir en el futuro. Además, su consumo energético es increíblemente inferior al de los actuales supercomputadores.

Esto no supone la suplantación definitiva de la computación tradicional. El ordenador clásico seguirá siendo, a medio plazo, la solución más sencilla y económica para resolver la mayoría de los problemas. Lo que permiten los ordenadores cuánticos, dado a su gran capacidad de manejo de datos, es la posibilidad de impulsar avances disruptivos en varios campos, desde la ciencia, ingeniería, hasta la investigación farmacéutica.

La clave: Los qubits

Todos los sistemas informáticos dependen de la capacidad fundamental para almacenar y manipular información. Las computadoras convencionales manipulan bits, que almacenan información como estados binarios 0 y 1 en los transistores. Un transistor, un bit, almacena un 0 o un 1 en un instante determinado. Las computadoras cuánticas aprovechan los fenómenos mecánicos cuánticos para manipular información, basándose en bits cuánticos o qubits.

Los quibits son partículas subatómicas tales como electrones y fotones. Estos cuentan con las propiedades cuánticas de superposición y entrelazamiento.

  • La superposición se refiere a la posibilidad de los qubits para representar numerosas combinaciones posibles de 1 y 0 al mismo tiempo. Puede representar, a diferencia de un bit, un 0 o un 1 al mismo tiempo, concepto que rompe cualquier lógica humana. Si lo analizamos des de el punto de vista de la resolución de un problema, una computadora clásica primero debe analizar un camino, después ir al siguiente y así hasta encontrar la solución al problema. Una computadora cuántica puede estar en todos los estados diferentes a la vez, recorrer todos los caminos a la vez, con lo que encontrará la solución de forma casi instantánea.
  • El entrelazamiento, es la generación de pares de qubits entrelazados, lo que significa que dos miembros de un par existen en un solo estado cuántico. Al cambiar el estado de uno de los qubits se puede predecir el cambio de su par. Este fenómeno inquietante y extraordinario permite que dos partículas separadas entre sí por una distancia monstruosa sean capaces de «comunicarse» sin que exista nada, ningún canal de transmisión, entre las dos. A este extraño fenómeno, que rompe por completo nuestra manera de entender el mundo, lo llamamos entrelazamiento cuántico. Nadie sabe exactamente cómo funcionan, pero es otra de las claves para entender el poder de las computadoras cuánticas.

Ambos fenómenos mecánicos permiten que un grupo conectado de qubits proporcione una capacidad de proceso infinitamente superior, que la misma cantidad de bits binarios.

Las propiedades de superposición y de entrelazamiento que son la base de la física cuántica, por tanto, de los ordenadores cuánticos, no son intuitivas, simplemente no las podemos entender ya que son comportamientos que se dan en el mundo microscópico, en el mundo de las partículas subatómicas, no se dan en la naturaleza que observamos, van en contra de nuestra intuición o pensamiento científico.

No debemos preocuparnos sino lo entendemos, simplemente debemos aceptar que existen, tal y como sentenció el famoso físico Richard Feynman, Premio Nobel de Física de 1965, “creo que puedo afirmar, sin temor a equivocarme, que nadie entiende la Física Cuántica”.

El desafío: La gestión y generación de qubits.

Para crear una computadora cuántica, es imprescindible mantener un objeto en estado de superposición el tiempo suficiente para llevar a cabo la cantidad de procesos que se requieran.  Desafortunadamente, esto no es siempre posible dado que continuamente pierde este estado de superposición, que se le conoce como decoherencia, convirtiéndose así en un clásico bit.

Diferentes empresas están abordando el desafío de la decoherencia desde diferentes ángulos, ya sea para usar procesos cuánticos más robustos o para encontrar diferentes formas de detectar errores.

Compañías como IBM, Google y Rigetti Computing, utilizan circuitos superconductores enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273,15 ºC). Otras compañías como IonQ, atrapan átomos individuales en campos electromagnéticos en un chip de silicio en cámaras de ultra alto vacío. Todas estas estrategias con un objetivo común: aislar los qubits en un estado cuántico controlado.

Aplicaciones de la computación cuántica.

En las áreas dónde las computadoras actuales requerirían miles de millones de años en resolver algunos de los problemas más complejos del mundo, las computadoras cuánticas podrían encontrar la solución en solo minutos, horas o días.

Aquí algunas aplicaciones sorprendentes, que podrán desarrollarse exponencialmente gracias a las computadoras cuánticas:

Machine Learning.

La Inteligencia Artificial debe poder analizar grandes conjuntos de datos de imágenes, vídeos y textos. En este momento no escasea la cantidad de datos, podríamos decir que se encuentra en una fase de sobreabundancia. Las computadoras cuánticas permitirían analizar y gestionar más datos en mucho menos tiempo, gracias a su potencia para procesar los petabytes de datos que aún no han sido analizados.

También, las computadoras cuánticas podrían potenciar el aprendizaje automático multisectorial al permitir que los programas de IA busquen en estos conjuntos de datos gigantescos elementos relacionados con la investigación médica, el comportamiento de los consumidores y los mercados financieros, y les den sentido.

Optimización.

Cada proceso puede tener un sin número de variables, con las computadoras cuánticas una máquina puede ser capaz de manejar casi innumerables permutaciones y combinaciones, lo que podría hacer avanzar el diseño y el análisis de sistemas de manera masiva.

Para el sector de la logística la optimización es el denominador común de todas las transacciones y procesos. La computación clásica se utiliza para organización de embarques, flotillas, manejo de datos en tiempo real, etc., que a la larga se pueden convertir en procesos demasiado complicados para una solución clásica, por lo que un enfoque cuántico se convertirá en una gran alternativa. Hay que pensar de que el Physical Internet, del que ya he hablado en otro artículo, y que promete ser el motor definitivo de la optimización de la logística mundial necesitará de una gran cantidad de proceso en tiempo real para ser operativo. La computación cuántica puede ser la solución definitiva para su implementación.

Simulaciones biomédicas.

Las computadoras cuánticas serán capaces de crear, simular y modelar estructuras moleculares. Ya en la Universidad de Harvard en el 2012, se utilizó una computadora cuántica, D-Wave One, para resolver la forma en la que se pliegan algunas proteínas.

https://www.dwavesys.com/news/harvard-researchers-use-d-wave-quantum-computer-fold-proteins

Servicios financieros.

La primera computadora cuántica comercial la D-Wave 2000Q, ha sido implementada por D-Wave, una compañía respaldada por Goldman Sachs y Bezos Expeditions. Se trata de un sistema cuántico con 2.000 qubits y controles avanzados de funciones.

Los sistemas podrían ser utilizados para la elaboración de modelos financieros complejos y la gestión de riesgos dentro de la industria financiera. Podría ayudar a encontrar nuevas formas de modelar datos financieros y en aislar factores de riesgo globales clave.

Industria Química.

La industria química, por ejemplo, puede trabajar para identificar un nuevo catalizador para fertilizantes que ayude a reducir emisiones de efecto invernadero y mejorar la producción mundial de alimentos. Esto requiere de modelaje de interacciones moleculares muy complejas para las computadoras clásicas, pero adecuadas para las computadoras cuánticas. Son muchas las posibilidades con impacto significativo, que esta tecnología abre dentro del área de la química.

Ciencia de los Materiales.

La computación cuántica ayudará en el avance de la ciencia de los materiales, creando nuevas alternativas y tecnologías más verdes. Una aplicación potencial es el desarrollo de los superconductores de alta temperatura, que permitirían la transmisión de energía sin pérdidas. Los nuevos descubrimientos facilitados por las computadoras cuánticas ayudarán a identificar materiales con las propiedades adecuadas para la superconductividad, un proceso muy complejo fuera del alcance de las computadoras comunes.

+ Acerca de aplicaciones:

Podrá tomar varios años para que las computadoras cuánticas alcancen su máximo potencial. Pero si estas máquinas cumplen sus promesas, podrían transformar industrias enteras e impulsar la innovación global. Algunas compañías, como IBM y Google, afirman que podríamos estar cerca, ya que continúan agrupando más qubits y construyendo dispositivos más precisos.

Aunque suene a largo plazo y existan puntos de vista contradictorios, en si es posible su desarrollo; no hay que olvidar que hace unos años se nos hacía imposible que hubiera coches sin conductor, que las pantallas móviles pudieran doblarse o que la inteligencia artificial saliera de nuestras pantallas de cine a invadir el mundo real. El desarrollo de la innovación va a marchas forzadas, existen aún barreras que cruzar, pero el tiempo dirá.

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1 comment

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Marta -

No entenc massa res però sembla que el que ve és molt potent. Aplicació al bé comú, a la igualtat, al benestar social, canvi climàtic?

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