|QC-7> ¿Qué hay de postre?
Son muchos los retos para los que la computación cuántica puede ser de gran utilidad y proporcionar ventajas para el ciudadano o la sociedad. En general cualquier problema que, por su complejidad o escala, sea muy difícil o imposible, de abordar por medio de la computación clásica. Mencionemos algunos de los que más interés han suscitado.
Dentro del área de ciencias de la tierra y administración pública, podría resolver problemas estocásticos complejos que implican la planificación y asignación de recursos ante desastres naturales (o artificiales)
De igual modo, en general para el área de logística y optimización de rutas, la computación cuántica puede proporcionar soluciones en tiempo real a problemas complejos de optimización combinatoria, por ejemplo para poder determinar las rutas óptimas a seguir por flotas de transporte para el suministro de bienes y servicios de ayuda, así como la optimización del picking en almacenes para recopilar y distribuir estos bienes.
Dentro del área de finanzas y política económica, la computación cuántica promete resultados óptimos para el análisis de riesgos de carteras complejas para las verticales de banca y también para las aseguradoras. También sería importante su aportación en el análisis de grandes volúmenes de datos para la identificación de amenazas y la prevención del fraude. Para que nos hagamos una idea de la escala de estos problemas, un análisis de cartera de 512 activos supone 10³⁶ combinaciones posibles. Incluso con el supercomputador más potente del mundo (el FUGAKU, capaz de hacer 442.000 billones de operaciones en un segundo), necesitaríamos más de 71.000 millones de años para explorar todas estas combinaciones. Más de 6 veces la edad estimada de nuestro Universo (13.000 millones de años)
Dentro de las ciencias de la vida y ciencias de los materiales, las aplicaciones son innumerables, como el descubrimiento de nuevos medicamentos y de nuevos materiales, así como en análisis genómicos para la prevención y tratamiento de enfermedades. Para que os hagáis una idea de la escala de estos problemas, la comparación de moléculas con sólo 50 átomos (algo realmente microscópico) sería necesario explorar del orden de 10⁴⁸ combinaciones. Haciendo la misma comparativa anterior con el FUGAKU, necesitaríamos 5.000 universos como el nuestro, para explorar todas esas combinaciones.
En el campo de las telecomunicaciones, la teleportación cuántica abre posibilidades muy interesantes para la mejora de las comunicaciones y la seguridad. Ya se han realizado algunos avances en esta área. Las propiedades de la mecánica cuántica que, para algunas aplicaciones nos resultan tediosas, en el campo de las comunicaciones, pueden ser extremadamente útiles para poder detectar intrusiones en vías de comunicación, de forma mucho más sencilla, eficiente y eficaz, que los actuales sistemas de ciberseguridad.
Por último, no podemos dejar de mencionar la criptografía ya que se han generado grandes expectativas en torno a la posibilidad de implementar el algoritmo de Shor con un computador cuántico del suficiente número de qubits, lo cual permitiría descifrar cualquier algoritmo RSA de clave pública, que es el mayoritariamente empleado en banca, gobierno e Internet en general. Aquí el interés se centra en el diseño de algoritmos cuánticos criptográficos que mejoren la seguridad. Se pueden diseñar algoritmos cuánticos de cifrado que no puedan ser rotos, ni por un computador cuántico.
¿Por qué y para qué necesito un computador cuántico?
En general, un computador cuántico permite resolver problemas complejos o de gran escala, para los que un computador digital clásico no puede hallar una solución o no lo puede hacer en un tiempo razonable con recursos finitos.
Dada la complejidad de operación y la rápida obsolescencia debido al rápida evolución de esta tecnología emergente, la mayoría de los fabricantes están proporcionando acceso en modo nube, de forma que se puede acceder a un computador cuántico de última generación, en modo de pago por uso, sin necesidad de asumir los elevados costos de su adquisición. IBM ha promovido la democratización de la computación cuántica,, dando acceso a uno de los hermanos menores de su serie Q (un computador cuántico de 20 qubits), de forma que cualquier persona, (incluso tú mismo, si te apasiona esta tecnología), puede acceder a este servicio sin coste para un tiempo de cómputo limitado.
¿Es más rápido, potente y eficiente que uno clásico?
Depende para qué. Para muchas aplicaciones comunes en el dominio de uso de la computación, el computador clásico es más eficiente. Hay problemas complejos para los que un computador clásico que, en esencia es una máquina de Turing universal, no resulta apropiado. Para estos problemas, el computador cuántico no sólo puede ser capaz de resolverlos, sino de hacerlo de forma rápida y eficiente.
Si hablamos de sostenibilidad y eficiencia energética, dos temas de gran importancia en el mundo que vivimos hoy en día, las cifras hablan por sí solas. Un supercomputador dentro del ranking de los 5 más potentes del mundo, tiene un rango de consumo promedio de 13 MW de potencia (13 millones de vatios). El mayor computador actualmente de, por ejemplo D-Wave, el D-Wave Advantage, tiene un consumo de 25 kW (25.000 vatios). ¡3 órdenes de magnitud menor!
¿Reemplazará el Computador Cuántico al Clásico Digital?
Mi opinión es que ambos se fusionarán en un nuevo tipo de computador. Como paso intermedio tendremos un computador digital dotado de dos procesadores CPU y QPU, cada una de ellas resolverá los tipos de problemas para los que es más eficiente. No todos los problemas del día a día, para los que usamos un computador, requieren computación masivamente paralela, luego la QPU será como un acelerador (similar a la GPU o como reemplazo de esta para problemas de computación paralela) dentro de un computador digital. En este sentido, los computadores basados en el recocido cuántico son un paso intermedio entre el computador digital y su equivalente cuántico, proporcionando casos de uso reales para un tipo de problemas muy específicos: los de optimización combinatoria.
A principios de octubre del 2021, D-Wave, líder indiscutible en la computación cuántica adiabática, hizo el siguiente anuncio público:
“We’re anticipating what our customers need to drive practical business value, and we know error-corrected gate-model quantum systems with practical application value will be required for another important part of the quantum application market: simulating quantum systems. This is an application that’s particularly useful in fields like materials science and pharmaceutical research.”
“Anticipamos lo que nuestros clientes necesitan para impulsar el valor comercial práctico, y sabemos que los sistemas cuánticos de puertas con corrección de errores con valor de aplicación práctica serán necesarios para otra parte importante del mercado de aplicaciones cuánticas: la simulación de sistemas cuánticos. Esta es una aplicación que es particularmente útil en campos como la ciencia de los materiales y la investigación farmacéutica.”
Esta es una firme declaración de que el desarrollo y la aplicación práctica de la computación cuántica, requiere la convergencia de múltiples tecnologías, entre la que se debe incluir la computación digital.
Este artículo en TechCrunch de Frederic Lardinois, describe este anuncio y reflexiona sobre sus implicaciones.
Luego, sin temor a equivocarme, creo que el futuro de la computación va a recorrer un camino en el que estarán presentes tanto la tecnología cuántica como la digital y ambas serán igual de importantes. Lo que sí es posible, y quizás antes de lo que prevemos, es que la computación cuántica reemplace en gran parte a la supercomputación tradicional para resolver problemas complejos o ejecutar simulaciones o modelos matemáticos de forma más rápida y eficiente que un computador digital.
¿Qué es la supremacía cuántica?
Esto hace referencia a la posibilidad de disponer de un computador cuántico que pueda resolver un problema que uno clásico no sea capaz de resolver en un tiempo razonable. La definición es algo ambigua y ha dado lugar a controversia.
Teóricamente la supremacía cuántica no implica directamente una ventaja de unas compañías sobre otras, sólo indica un punto en el tiempo de la evolución de la tecnología, indicando el momento en qué un computador cuántico es capaz de resolver un problema que su homólogo digital no pueda, o no pueda hacerlo en un tiempo razonable. Esto tiene dos consecuencias directas: por un lado que, aunque la supremacía cuántica se refiere al momento de la historia en que este hecho se ha producido, también implica, indirectamente, que el grupo de investigación, compañía o país donde se haya logrado, está siendo implícitamente reconocido como los primeros en ser capaces de demostrar esto. La segunda es que lo que se considera razonable en cuanto al tiempo requerido por el computador clásico para resolver el problema mencionado, es ambiguo, al menos lo es, a no ser que la demostración arroje unos resultados para el tiempo requerido por el computador clásico que sean desmesuradamente grandes, por ejemplo del orden de cientos de años. Esto es lo que produjo la disputa entre Google e IBM cuando, en 2019, el primero publicó un artículo científico en el que se demostraba haber alcanzado la supremacía cuántica. IBM rebatió este resultado, “demostrando” que con alguno de sus supercomputadores, el algoritmo probado por Google podría resolverse en una escala temporal de menos de 3 días, y no 10.000 años, como afirmában los investigadores de Google en su artículo.
Del mismo modo que la carrera de la exaescala se ha convertido en un objetivo nacional para muchos países, el ser el primero en demostrar la supremacía de un computador cuántico sobre cualquiera digital (del tamaño y potencia que sea), también es motivo de orgullo nacional y demostración de poder tecnológico. Esto es lo que se podría denominarse ventaja cuántica que a diferencia de la supremacía cuántica que hemos mencionado, si haría referencia a la supremacía de una institución o un país en la carrera cuántica, es decir, en tener una ventaja competitiva en esta tecnología con respecto a otras compañías o a nivel mundial, respecto a otros países.
En cualquier caso, esta ligera rencilla entre empresas americanas pasó a segundo plano en octubre de 2021, cuando científicos chinos demostraron ser capaces de probar la resolución de un problema en varias horas, en dos sistemas construidos por ellos (Zuchongzhi 2.1 y Jiuzhang 2.0), que el más potente supercomputador existente tardaría varios años en resolver. En este caso parece que no cabe duda que será China el país que marcará su impronta en la línea de la historia de la tecnología.
Reflexiones finales
La construcción, operación y explotación de un computador cuántico es, por el momento, problemática. La principal dificultad con la que se encuentra es mantener el sistema lo suficientemente aislado para que no se vea afectado por el entorno. En muchos casos a temperaturas muy próximas al 0 absoluto, es decir, 250 veces más frías que el más frío vacío del universo. Esto, en el mundo macroscópico, puede ser resuelto por la ingeniería extrema, pero en el mundo microscópico el reto es mucho mayor. Esta dificultad de aislamiento del entorno hace que las infraestructuras sean muy complejas y los costes de operación y mantenimiento se eleven.
La programación del computador cuántico está aún en un estado muy primitivo y quizás nuevos paradigmas de programación vean la luz para aprovechar las ventajas que puede ofrecer este tipo de computadores.
El problema de la escala es también significativo. Para poder resolver problemas cada vez más complejos, es necesario construir computadores cuánticos con mayor número de qubits y, con las tecnologías actualmente disponibles, esto supone un reto tecnológico importante.
Por último, un problema muy complicado de resolver en los computadores cuánticos es minimizar el error en los cálculos, ya que los qubits pierden su estado de superposición muy rápido, en escala de microsegundos. Una complejidad añadida, asociada a la complejidad subyacente del mundo cuántico, es que los qubits no se pueden copiar y esto dificulta enormemente la corrección de errores en los sistemas cuánticos (el Teorema de no clonación es el fundamento físico de esta característica)
Pese a todo lo anterior, las posibilidades de la computación cuántica son tan alentadoras que han atraído el interés de grandes empresas y gobiernos, que han puesto el foco (e inversiones millonarias), en conseguir una ventaja significativa en estas tecnologías. Del mismo modo que la supercomputación es foco de interés para la supremacía científica y tecnológica, y por ende económica, también lo es la computación cuántica. Aunque queda mucho camino por recorrer, las próximas décadas nos sorprenderán con capacidades tecnológicas que ni siquiera habíamos imaginado hace sólo unas generaciones.
Y, una última reflexión: el escenario actual de mercado en la computación que conocemos, es muy posible que cambie en los próximos años. Si la computación cuántica se consolida como un complemento real y eficaz a la computación digital, es posible que todos los grandes fabricantes de servidores incluyan en su negocio una división de computación cuántica, lo cual puede dar lugar a fusiones o adquisiciones, algunas predecibles aunque otras quizás inimaginables. También producirá al avance de otras ciencias y tecnologías de forma directa o indirecta, como ya lo está haciendo : criogenia, sistemas de vacío, redes neuronales artificiales, algoritmia y ciencias de la computación en general, medicina, criptografía…
Todo esto llevará al ser humano a la resolución de problemas intratables hasta el momento, a construir un mundo más sostenible, a poder predecir e incluso revertir el cambio climático, a poder desarrollar fármacos más potentes que redunden en la erradicación de enfermedades e infecciones (todos tenemos en mente algunas que no es necesario mencionar), en esencia, a construir un mundo mejor. Y este, confío y deseo, será el apetitoso postre que nos ofrezca esta tecnología.
Con este postre esperanzador, hemos llegado al final de esta serie de artículos en los que he procurado compartir mis inquietudes respecto a esta tecnología emergente que, lejos de ser una fantasía, es una realidad (como creo que ha podido quedar patente con lo relatado a lo largo de esta serie)
Una de mis pasiones siempre ha sido la tecnología, al menos hasta donde alcanzo a recordar, pero no soy un experto en esta materia que hemos explorado juntos, de modo que, en el camino, también hemos aprendido juntos.
Si has llegado hasta aquí, agradezco tu acompañamiento en este proceso de aprendizaje. ¡Nos leemos pronto!
Todos los artículos de esta serie:
