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TECNOLOGÍA. Computación Cuántica, ¿en qué consiste?


Hace un año, IBM anunció que iban a presentar la primera computadora cuántica integrada del mundo para fines comerciales y de investigación, que estará disponible a finales de este año. No  estamos realmente seguros de qué va a cambiar la computación cuántica. Es posible que no "cambie todo", pero es probable que casi todo se vea afectado, aunque sea indirectamente.


Llamamos "computación cuántica" a aquella computadora (ordenador) que usa la superposición cuántica de partículas subatómicas para almacenar datos como lo hace un bit en una computadora clásica. Los Qubits, como se los llama, existen en un estado indeterminado, incluido de forma inclusiva por 1 y 0. Esto significa que pueden ser 1, 0 o ambos 1 y 0 porque el espectro cuántico aún no ha decidido cuál quiere ser. Esto nos permite realizar varios cálculos a la vez (paralelismo cuántico) explotando las superposiciones de estos qubits, abriendo la puerta para resolver determinados problemas que pueden requerir cientos, si no miles de años, para ser resueltos usando una computadora clásica.


La explosión de Internet, los rápidos avances en potencia informática, la computación en la nube y nuestra capacidad de almacenar más datos de los que se consideraba posible solo hace dos décadas, han ayudado a impulsar la revolución del Big Data en el siglo XXI. Pero la tasa de recopilación de datos está creciendo más rápido que nuestra capacidad de procesarlos y analizarlos. La computación cuántica sería la solución en múltiples áreas sociales y profesionales. Fuente: Pixabay

Sin embargo, existe una dificultad. La computación cuántica es una cosa excepcionalmente delicada ya que el mantenimiento de una partícula cuántica suspendida en una superposición solo se puede hacer durante aproximadamente 100 microsegundos. También necesita temperaturas extremadamente frías y superconductores, no exactamente las cosas que caben en el smartphone. Este tipo de hardware hace que las computadoras cuánticas sean equipos altamente especializados que solo son realmente prácticos para tareas muy específicas en este momento, como problemas de modelado de predicción y optimización en sistemas complicados con una gran cantidad de variables.


La fuerza de la computación cuántica está en las superposiciones de sus qubits. Una computadora cuántica no "ejecutará un programa" como lo hacen nuestras computadoras hoy; las computadoras cuánticas tendrían que ejecutar las instrucciones de un programa línea por línea al igual que lo haría una computadora clásica. La superposición generalmente no ayuda a hacer esto más rápido.

QUÉ CAMBIARÁ CON LA COMPUTACIÓN CUÁNTICA
En primer lugar, lo único que sabemos con certeza es que el cifrado RSA moderno es historia. El cifrado RSA se basa en la imposibilidad práctica de que una computadora clásica encuentre los factores primos correctos de un número entero muy grande, como por ejemplo uno de 500 dígitos de largo. Esto podría llevar cientos de años utilizando nuestros algoritmos clásicos más eficientes en una computadora clásica, y miles de años si se intentara forzar la respuesta a base de fuerza bruta.


Estados cuánticos logrados en la electrónica cotidiana compatibles con la electrónica integrados en el carburo de silicio. 
La razón por la que esto se puede resolver con una computadora cuántica es que ya fue resuelto por Peter Shor en 1994. Sin embargo, el algoritmo de Shor, como se llama su solución, necesita una computadora cuántica lo suficientemente potente para romper el cifrado RSA. Aún no existe, pero pronto lo hará, y la forma en que protegemos los datos será muy efectiva. Tendremos que inventar una forma completamente diferente de asegurar todos nuestros datos existentes.



En cuanto a las cosas que creemos que la computación cuántica cambiará, el primer candidato es la forma en que organizamos los sistemas a nivel macro, como la infraestructura de telecomunicaciones y las carreteras. Cómo hacer que estos sistemas se equilibren de manera óptima entre costo y utilidad es un ejemplo del tipo de problema que las computadoras cuánticas podrían resolver gracias a la superposición cuántica de los qubits.

El mismo problema de optimización afecta a la cadena de suministro global. El sector del transporte desperdicia una gran cantidad de dinero (estamos hablando de cientos de miles de millones de dólares), debido a los tipos de ineficiencias ocultas que la optimización cuántica identificará.


Los aumentos de rendimiento de un millón de veces solo sucederán en programas mal escritos que se atascan repetidamente por utilizar algoritmos innecesariamente complejos que se pasarían a un QPU. Ningún programa bien escrito va a implementar un algoritmo forzado de factorización en ningún software que cualquiera de nosotros vaya a ejecutar en nuestra vida cotidiana.  Fuente: Pixabay
Y no solo los gobiernos y las empresas se beneficiarán de la computación cuántica, sino que la medicina, la astronomía y otras ciencias son excelentes candidatos. Los astrónomos que “cazan” exoplanetas tienen montañas de petabytes de datos que necesitan ser procesados ​​para obtener información científicamente relevante, y este es el tipo de procesamiento de datos que creemos que la computación cuántica cambiará de manera transformadora. El análisis exponencial de datos permitirá gestionar e interrelacionar bases de datos con fines comerciales, científicos, financieros y políticos.


Calor transferido de una manera previamente desconocida.  Los experimentos muestran que las fluctuaciones cuánticas pueden permitir que el calor sea transportado entre dos objetos separados por un vacío. Este efecto podría aprovecharse para explotar y controlar la transferencia de calor en dispositivos a nanoescala. (Fuente: https://www.nature.com/articles/d41586-019-03729-4)

En medicina, la computación cuántica posiblemente puede acelerar los avances médicos a un ritmo increíble al poder procesar problemas de variables múltiples, que hacen que la investigación en estos campos sea un desafío. Al investigar enfermedades y desarrollar nuevos fármacos, podríamos descubrir todo tipo de nuevos medicamentos y tratamientos en los que nadie hubiera pensado nunca.

El desarrollo más significativo podría ser en física, donde los investigadores que estudian la superconductividad esperan algún día utilizar la computación cuántica para identificar un material que sea superconductor a temperatura ambiente mediante el uso de qubits y, así, poder modelar diferentes compuestos y probar sus características.

Una computadora cuántica, nos permitiría eliminar la pérdida de energía de la transmisión de electricidad y transformar nuestra red de energía, optimizando la generación eléctrica requerida y, así, impulsarnos hacia un mundo más renovable.



Los científicos informáticos y matemáticos teóricos, que a menudo desarrollan los algoritmos que se incorporan a los programas que usamos en nuestra vida cotidiana, comienzan ahora a explorar qué tipos de algoritmos cuánticos podrán ejecutarse en una computadora cuántica. Después de que desarrollen estos, dependerá de otros implementar esos nuevos algoritmos cuánticos en diferentes tipos de programación. Sin embargo, lo que podemos decir es que las cosas cambiarán con la computación cuántica y el posterior desarrollo de algoritmos cuánticos avanzados y que este cambio llegará tan pronto como en 2020.


Lo primero es lograr que físicos y químicos descubran un superconductor a temperatura ambiente que pueda ser lo suficientemente pequeño como para caber en servidores de red o en los ordenadores de casa. Así, si nuestras tareas cotidianas necesitan un programa que requiere el tipo de cálculo que una computadora cuántica maneja mejor, como la factorización de un número entero, nos podríamos conectar a una computadora cuántica en la nube para procesar este problema y obtener un resultado, o bien usar un chip cuántico incorporado, un QPU, para resolverlo de forma local. Fuente: Pixabay
Gobiernos de todo el mundo están invirtiendo en la investigación de sistemas informáticos cuánticos, al igual que los principales titanes tecnológicos como Google e IBM. Se espera que estos desarrollos se centren en: encriptación y ciberseguridad, servicios financieros, desarrollo de fármacos, cadenas logísticas y análisis de datos.


En la computación cuántica  ya no tenemos 0 y 1. Tenemos estados cuánticos y también el estado de superposición, que consiste en la posibilidad de tener distintas probabilidades de los estados 0 y 1. Incluso la posibilidad de utilizar las superposiciones de muchos estados de un registro cuántico, de manera que si tenemos un registro cuántico de 8 qubits tendremos 28 posibilidades. Fuente: IBM Research




NUEVOS DESCUBRIMIENTOS
Ingenieros de la Universidad de New South Wales Sydney (UNSW) en Australia han desbloqueado un misterio cuántico que data de 1961. Su avance podría tener un impacto potencialmente enorme en el desarrollo de computadoras y sensores cuánticos. Su descubrimiento sacude el paradigma de la resonancia magnética nuclear , algo que se usa ampliamente en las disciplinas de medicina, minería y química. Su estudio fue publicado en la revista Nature . Este descubrimiento significa que ahora tenemos una vía para construir computadoras cuánticas utilizando espines de un solo átomo sin la necesidad de ningún campo magnético oscilante para su operación. Su descubrimiento tiene consecuencias de largo alcance. Ahora, controlar un solo átomo colocado en un dispositivo nanoelectrónico será mucho más fácil que nunca y tendrá un impacto significativo en ciertos campos.


RESUMEN "COMPUTACIÓN CUÁNTICA"

1. QUÉ ES UN QUBIT
Las computadoras de hoy usan bits, una corriente de pulsos eléctricos u ópticos que representan 1s o 0s. Todo, desde tus tweets y correos electrónicos hasta tus canciones de iTunes y videos de YouTube, son esencialmente cadenas largas de estos dígitos binarios.
Las computadoras cuánticas, por otro lado, usan qubits, que generalmente son partículas subatómicas como electrones o fotones. Generar y administrar qubits es un desafío científico y de ingeniería. Algunas compañías, como IBM, Google y Rigetti Computing, utilizan circuitos superconductores enfriados a temperaturas más frías que el espacio profundo. Otros, como IonQ, atrapan átomos individuales en campos electromagnéticos en un chip de silicio en cámaras de ultra alto vacío. En ambos casos, el objetivo es aislar los qubits en un estado cuántico controlado. Los Qubits tienen algunas propiedades cuánticas peculiares que significan que un grupo conectado de ellos puede proporcionar mucha más potencia de procesamiento que la misma cantidad de bits binarios. Una de esas propiedades se conoce como superposición y otra se llama entrelazamiento.

2. QUÉ ES LA SUPERPOSICIÓN
Los Qubits pueden representar numerosas combinaciones posibles de 1 y 0 al mismo tiempo. Esta capacidad de estar simultáneamente en múltiples estados se llama superposición. Para colocar los qubits en superposición, los investigadores los manipulan con láser de precisión o rayos de microondas. Gracias a este fenómeno contraintuitivo, una computadora cuántica con varios qubits en superposición puede superar una gran cantidad de resultados potenciales simultáneamente. El resultado final de un cálculo surge solo una vez que se miden los qubits, lo que inmediatamente hace que su estado cuántico se "colapse" a 1 o 0.

3. QUÉ ES EL ENTRELAZAMIENTO
Los investigadores pueden generar pares de qubits que están "enredados", lo que significa que los dos miembros de un par existen en un solo estado cuántico. Cambiar el estado de uno de los qubits cambiará instantáneamente el estado del otro de una manera predecible. Esto sucede incluso si están separados por distancias muy largas. Nadie sabe realmente cómo o por qué funciona el enredo. Incluso desconcertó a Einstein, quien lo describió como "acción espeluznante a distancia". Pero es la clave del poder de las computadoras cuánticas. En una computadora convencional, duplicar el número de bits duplica su poder de procesamiento. Pero gracias al enredo, agregar qubits adicionales a una máquina cuántica produce un aumento exponencial en su capacidad de descifrar números.

Las computadoras cuánticas aprovechan los qubits enredados en una especie de cadena de margarita cuántica para hacer su magia. La capacidad de las máquinas para acelerar los cálculos utilizando algoritmos cuánticos especialmente diseñados es la razón por la cual hay tanto ruido sobre su potencial. Esa es la buena noticia. La mala noticia es que las máquinas cuánticas son mucho más propensas a errores que las computadoras clásicas debido a la decoherencia.

4. QUÉ ES LA DECOHERENCIA
La interacción de los qubits con su entorno de formas que hacen que su comportamiento cuántico decaiga y finalmente desaparezca se llama decoherencia. Su estado cuántico es extremadamente frágil. La más mínima vibración o cambio de temperatura (perturbaciones conocidas como "ruido" en el habla cuántica) pueden hacer que se caigan de la superposición antes de que su trabajo se haya realizado correctamente. Es por eso que los investigadores hacen todo lo posible para proteger los qubits del mundo exterior en esos refrigeradores y cámaras de vacío sobreenfriados.

Pero a pesar de sus esfuerzos, el ruido sigue causando muchos errores que se arrastran en los cálculos. Los algoritmos cuánticos inteligentes pueden compensar algunos de estos, y agregar más qubits también ayuda. Sin embargo, es probable que se necesiten miles de qubits estándar para crear uno único y altamente confiable, conocido como qubit "lógico". Esto reducirá gran parte de la capacidad computacional de una computadora cuántica.
Y ahí está el problema: hasta ahora, los investigadores no han podido generar más de 128 qubits estándar. Así que todavía nos faltan muchos años para obtener computadoras cuánticas que serán ampliamente útiles. Eso no ha hecho mella en las esperanzas de los pioneros de ser los primeros en demostrar la "supremacía cuántica".

5. QUÉ ES LA SUPREMACÍA CUÁNTICA
Es el punto en el que una computadora cuántica puede completar un cálculo matemático que está demostrablemente fuera del alcance incluso de la supercomputadora más poderosa.
Todavía no está claro exactamente cuántos qubits se necesitarán para lograr esto porque los investigadores siguen encontrando nuevos algoritmos para aumentar el rendimiento de las máquinas clásicas, y el hardware de supercomputación sigue mejorando. Pero los investigadores y las empresas están trabajando arduamente para reclamar el título, realizando pruebas contra algunas de las supercomputadoras más poderosas del mundo.


Hay mucho debate en el mundo de la investigación sobre cuán significativo será lograr este hito. En lugar de esperar a que se declare la supremacía, las compañías ya están comenzando a experimentar con computadoras cuánticas fabricadas por compañías como IBM, Rigetti y D-Wave, una empresa canadiense. Las empresas chinas como Alibaba también ofrecen acceso a máquinas cuánticas. Algunas empresas están comprando computadoras cuánticas, mientras que otras están utilizando las disponibles a través de los servicios de computación en la nube.

6. DÓNDE SERÁ ÚTIL UNA COMPUTADORA CUÁNTICA
Una de las aplicaciones más prometedoras de las computadoras cuánticas es simular el comportamiento de la materia hasta el nivel molecular. Los fabricantes de automóviles como Volkswagen y Daimler están utilizando computadoras cuánticas para simular la composición química de las baterías de los vehículos eléctricos para ayudar a encontrar nuevas formas de mejorar su rendimiento. Y las compañías farmacéuticas los están aprovechando para analizar y comparar compuestos que podrían conducir a la creación de nuevos medicamentos.

Las máquinas también son excelentes para los problemas de optimización, ya que pueden procesar grandes cantidades de soluciones potenciales extremadamente rápido. Airbus, por ejemplo, los está utilizando para ayudar a calcular las rutas de ascenso y descenso más eficientes en combustible para aviones. Y Volkswagen ha presentado un servicio que calcula las rutas óptimas para autobuses y taxis en las ciudades a fin de minimizar la congestión. Algunos investigadores también piensan que las máquinas podrían usarse para acelerar la inteligencia artificial.


Las computadoras cuánticas pueden tardar varios años en alcanzar su máximo potencial. Las universidades y las empresas que trabajan en ellas enfrentan una escasez de investigadores calificados en el campo, y una falta de proveedores de algunos componentes clave. Pero si estas nuevas y exóticas máquinas informáticas cumplen su promesa, podrían transformar industrias enteras y potenciar la innovación global.



El procesador Sycamore de Google llamó la atención en 2019 cuando los científicos dijeron que habían logrado la "supremacía cuántica", llevando a cabo un cálculo que sería casi imposible de hacer en un plazo razonable utilizando una supercomputadora clásica. La imagen de arriba ofrece una vista de la complicada configuración requerida para mantener refrigerado a Sycamore. El procesador se instala en la base de un "refrigerador de dilución", un dispositivo que se puede enfriar a temperaturas extremadamente bajas, junto con filtros, amplificadores y cables que llegan hasta la temperatura ambiente. Los cables azules conectan el procesador enfriado a los racks de componentes electrónicos a temperatura ambiente que controlan y leen los qubits, las versiones cuánticas de los bits clásicos.


Fuentes: 
- Michael A. Nielsen. Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge.  https://towardsdatascience.com/; https://interestingengineering.com/; https://en.wikipedia.org/wiki/Wave%E2%80%93particle_duality
https://medium.com/mit-technology-review/explainer-what-is-a-quantum-computer-307ab5c27a6d
- Coherent electrical control of a single high-spin nucleus in silicon. Nature volume 579, pages205–209(2020)

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