La computación cuántica es la próxima gran frontera en el avance tecnológico humano. La revolución del transistor está a la vista, y sus logros para la informática clásica están por todas partes: desde las CPU y GPU que nos permiten suspender la incredulidad, pasando por los teléfonos inteligentes que nos mantienen conectados y, en última instancia, Internet: ese tejido que se ha convertido en un elemento indeleble de nuestra realidad
Si bien el transistor permitió la automatización programable y la digitalización del trabajo humano (y el juego), la computación cuántica y su análogo de transistor, el qubit, abrirán puertas que antes estaban cerradas y revelarán otras nuevas que antes ni siquiera sabíamos que estaban allí.
Aquí hay una explicación de qué es la computación cuántica, por qué la necesitamos y una explicación de alto nivel de cómo funciona.
¿Qué es la computación cuántica?
La computación cuántica es análoga a la computación que conocemos y amamos. Pero mientras la computación aprovecha el transistor clásico, la computación cuántica aprovecha el mundo de lo infinitamente pequeño, el mundo cuántico, para ejecutar cálculos en hardware especializado conocido como unidades de procesamiento cuántico (QPU). Los qubits son el equivalente cuántico de los transistores. Y mientras que el desarrollo de este último está cada vez más limitado por los efectos cuánticos y las dificultades de una mayor miniaturización, la computación cuántica ya prospera en este mundo.
Quantum se refiere a la unidad indivisible más pequeña de cualquier partícula física. Esto significa que la unidad de computación cuántica, el qubit, generalmente está hecha de átomos individuales o incluso de partículas subatómicas como electrones y fotones. Pero mientras que los transistores solo pueden representar dos estados (ya sea 1 o 0, lo que dio paso al mundo binario dentro de nuestra tecnología), los qubits pueden representar todos los estados posibles: 0, 1 y todas las variaciones dentro de la combinación de ambos estados al mismo tiempo. tiempo. Esta capacidad se conoce como superposición, uno de los fenómenos detrás de la destreza de la computación cuántica.
¿Por qué necesitamos la computación cuántica?
Los Qubits permiten considerar y procesar mucha más información simultáneamente, lo que abre la puerta a la resolución de problemas con grados de complejidad que paralizarían incluso a las supercomputadoras actuales y futuras más poderosas.
Problemas con múltiples variables como el control del tráfico de aviones (que tiene en cuenta la velocidad, el tonelaje y la multitud de aviones simultáneos, volando o no, dentro de un espacio aéreo); colocación de sensores (como el Desafío de colocación de sensores de BMW, que recientemente se resolvió en cuestión de minutos mediante cuántica); el antiguo problema de optimización del viajante de comercio (que intenta encontrar la ruta más corta que conecta múltiples ubicaciones de venta); y el plegamiento de proteínas (que intenta prever cualquiera de los billones de formas en que se puede presentar una cadena de aminoácidos) son ejemplos de cargas de trabajo en las que brillan las computadoras cuánticas.
La computación cuántica también hará que todos los algoritmos criptográficos utilizados actualmente sean discutibles: la protección que incluso las supercomputadoras más poderosas tardarían demasiado en romperse en la escala de tiempo humana tomará momentos en las computadoras cuánticas. Esto enmarca otro elemento de la carrera por las computadoras cuánticas: la capacidad de crear algoritmos criptográficos que puedan resistirlos. Instituciones como el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han estado poniendo a prueba nuevas soluciones poscuánticas para encontrar una que pueda garantizar la seguridad en el futuro poscuántico.
La ciencia de los materiales, la química, la criptografía y la resolución de problemas multivariados son el hogar proverbial de la computación cuántica. Y seguramente se materializarán más a medida que comprendamos las capacidades de esta tecnología.
¿Qué es la superposición cuántica?
Si tuviera que imaginar el lanzamiento de una moneda, la computación clásica dividiría su resultado en un 0 o un 1 de acuerdo con el final del lanzamiento, ya sea en cara o cruz. En el mundo qubit, sin embargo, podrías ver cara y cruz simultáneamente, así como las diferentes posiciones que toma la moneda mientras gira ante tus ojos mientras gira entre ambos resultados.
Mientras que las computadoras clásicas funcionan con resultados deterministas, la computación cuántica aprovecha el campo de las probabilidades. Esta abundancia de estados posibles permite que las computadoras cuánticas procesen mucha más información de la que jamás podría un sistema binario.
Otros conceptos importantes de computación cuántica además de la superposición son el entrelazamiento y la interferencia cuántica.
¿Qué es el entrelazamiento cuántico?
El entrelazamiento ocurre cuando dos qubits se han conectado inextricablemente de tal manera que no se puede describir el estado de uno de ellos sin describir el estado del otro. Como resultado, se han convertido en un solo sistema y se influyen mutuamente, a pesar de que son qubits separados.
Sus estados están correlacionados, es decir, según el tipo de entrelazamiento, ambas partículas pueden estar en el mismo estado o incluso en estados opuestos, pero conocer el estado de una permite conocer el estado de la otra. Esto sucede a cualquier distancia: las partículas entrelazadas realmente no tienen un límite físico de cuán lejos pueden estar unas de otras. Es por eso que Einstein llamó al enredo “acción espeluznante a distancia”.
Imagina que estás viendo un partido de tenis. Los dos jugadores están correlacionados: los movimientos de uno conducen a un contramovimiento del otro. Si tuviera que describir por qué el tenista A se movió a un punto de la cancha y golpeó la pelota hacia un área del campo de su oponente, tendría que considerar las acciones anteriores del tenista B; su posición actual; la calidad y las variables de su juego, y varios otros factores. Describir las acciones (o, en el sentido de qubit, el estado) de uno significa que no puede ignorar las acciones (o el estado) del otro.
¿Qué es el ruido cuántico?
Cualquier sistema que intente ser equilibrado y coherente debe resistir la interferencia externa. Esta es la razón por la que muchos componentes de la computadora, como las tarjetas de audio, cuentan con blindaje EMI (interferencia electromagnética), o su casa tiene un aislamiento que intenta mantener su entorno más estable de lo que realmente parece el mundo fuera de sus ventanas.
En la computación cuántica, la coherencia es un asunto mucho, mucho más voluble. Los estados de qubit y el enredo de qubit son especialmente propensos a la interferencia ambiental (ruido) y pueden colapsar en un microsegundo (una millonésima de segundo). Este ruido puede asumir la forma de radiación; temperatura (razón por la cual algunos diseños de cúbits deben enfriarse hasta casi el cero absoluto, o −273,15 °C); la actividad de los qubits vecinos (lo mismo ocurre con la proximidad de los transistores hoy en día); e incluso impactos de otras partículas subatómicas invisibles a simple vista. Y estas son solo algunas de las posibles causas de ruido que luego introducen errores en el cálculo cuántico, comprometiendo los resultados.
En la computación clásica, los errores suelen cambiar un poco (de 0 a 1 o viceversa), pero en la computación cuántica, como hemos visto, hay muchos estados intermedios de información. Por lo tanto, los errores pueden influir en estos estados, que son órdenes de magnitud más que solo un 1 o un 0.
Esto pone limitaciones prácticas en la cantidad de tiempo que los qubits de una computadora cuántica están operativos, cuánto duran sus estados entrelazados y qué tan precisos son sus resultados.
Más ruido significa que los estados del qubit pueden cambiar o colapsar (descoherencia) antes de que finalice una carga de trabajo determinada, generando un resultado incorrecto. Por lo tanto, la computación cuántica intenta reducir el ruido ambiental tanto como sea posible implementando la corrección de errores que verifica y se adapta a la interferencia ambiental o tratando de acelerar la velocidad a la que operan los qubits para que puedan producir más trabajo antes de que se pierda la coherencia de los qubits.
¿Cuáles son los desafíos actuales de la computación cuántica?
La investigación de la computación cuántica es uno de los temas más complejos conocidos por la humanidad, lo que representa una barrera inmediata para quién puede dedicarse a ella. Por lo general, solo las instituciones más ricas o las grandes empresas tecnológicas se han sumergido en él de manera significativa.
Solo unos pocos científicos pueden (y quieren) trabajar en este campo, y su infancia significa una inversión significativa en materiales, desarrollo iterativo y financiación de la investigación.
El campo también está en sus primeras etapas, lo cual es un desafío (o un patio de recreo, según cómo lo veas). Actualmente, varias empresas están siguiendo sus propios caminos dispares hacia la construcción de una computadora cuántica funcional. IBM ha elegido el qubit superconductor como su arma preferida; Quantum Brilliance funciona con qubits basados en diamantes que pueden funcionar a temperatura ambiente; QCI ha tomado la ruta Entropy Quantum Computing (EQC), que trata de tener en cuenta la interferencia ambiental; Borealis QPU de Xanadu aprovecha la fotónica; Microsoft todavía está buscando qubits topológicos que aún no se han materializado.
Cada una de estas empresas ensalza los méritos del enfoque elegido, y cada una de ellas tiene razones para invertir en él, fruto de miles de horas de trabajo y millones de dólares invertidos.
Es importante enmarcar esto no tanto como una carrera; simplemente significa que hay múltiples lugares de exploración. Pero, de hecho, existe una carrera hacia la financiación adicional y la cuota de mercado. La empresa que primero avance hacia la ventaja cuántica, el punto en el que una computadora cuántica supere a cualquier supercomputadora existente o futura en la resolución de un problema o conjunto de problemas en particular, será la primera en obtener beneficios.
Y ser el primero en dar el siguiente paso para las ciencias informáticas de la humanidad tiene ventajas indiscutibles para dar forma a su futuro.
¿Cuál es la perspectiva de la computación cuántica?
Actualmente, las computadoras cuánticas todavía se encuentran en la Era cuántica ruidosa de escala intermedia (NISQ). Los científicos están luchando por escalar a un mayor número de qubits que son necesarios para desbloquear computadoras cuánticas más potentes y arreglos más complejos de qubits. Esto se debe principalmente al problema de la interferencia cuántica, al que aludimos anteriormente. Sin embargo, resolver este problema es solo cuestión de tiempo. Eventualmente llegarán dispositivos cuánticos posteriores a NISQ, incluso si la ausencia de un nombre específico para ellos es en sí misma una referencia al largo camino por recorrer.
Las expectativas sobre el crecimiento del mercado de la computación cuántica son dispares, pero la mayoría de las proyecciones parecen apuntar a un mercado con un valor de $ 20 mil millones a $ 30 mil millones para 2030. Pero este es un ecosistema que está experimentando avances diarios; todo lo que se necesita es que uno de ellos resulte en una aceleración en el camino hacia la codiciada era cuántica de la supremacía cuántica para arrojar esas proyecciones al borde del camino.
En el estado actual de la computación cuántica, podemos esperar una aceleración en el ritmo de desarrollo y en la cantidad de qubits que se implementan en las unidades de procesamiento cuántico. La hoja de ruta de IBM es una de las más claras: la compañía espera tener hasta 433 qubits operativos este año a través de su QPU Osprey, más del triple de los encontrados en su QPU 2021, Eagle. La compañía apunta a tener una QPU de 1121 qubits para 2023 (Condor), y proyecta que sus QPU albergarán más de 1 millón de qubits a partir de 2026.
Dicho esto, no está claro el número exacto de qubits necesarios para dejar atrás la era NISQ; diferentes qubits tienen diferentes capacidades y pueden producir diferentes cantidades de trabajo. En el futuro, la estandarización es el nombre del juego: el estándar CLOPS de rendimiento cuántico propuesto por IBM es un ejemplo en una industria aún incipiente que está tratando de fusionarse. Los esfuerzos concertados de la industria para estandarizar las comparaciones entre diferentes QPU también están en marcha y son un requisito previo para el futuro saludable del espacio.
Es un mundo completo y amplio en el espacio de la computación cuántica. Y apenas estamos comenzando.