Qué es la computación cuántica y por qué importa

Quantum Computing: The Next Generation of High-Performance Computing

La computación cuántica, considerada la próxima generación de computación de alto rendimiento, es un campo en constante cambio que recibe la misma atención tanto en la academia como en los laboratorios de investigación empresarial. Honeywell, IBM e Intel están desarrollando independientemente sus propias implementaciones de sistemas cuánticos, al igual que las startups como D-Wave Systems. A finales de 2018, el presidente Donald Trump firmó la Ley de Iniciativa Cuántica Nacional que proporciona $1.2 mil millones para la investigación y desarrollo cuántico.

La hoja de trucos de Newsmatic para la computación cuántica se presenta tanto como una introducción fácil de entender a un nuevo paradigma de la computación, así como una guía actualizada periódicamente para mantener informados a los líderes de TI sobre los avances en la ciencia y la comercialización de la computación cuántica.

Resumen Ejecutivo

• ¿Qué es la computación cuántica? La computación cuántica es una tecnología en desarrollo que los científicos anticipan que proporcionará soluciones computacionales más rápidas a problemas que actualmente son manejados por supercomputadoras.
• ¿Por qué es importante la computación cuántica? Teóricamente, las computadoras cuánticas podrían ser utilizadas para descifrar la criptografía RSA, que se utiliza comúnmente en Internet. La computación cuántica también tiene el potencial de resolver problemas que antes se consideraban irresolubles.
• ¿A quién afecta la computación cuántica? Principalmente a los investigadores que trabajan en física cuántica, aunque se prevé que los avances en la computación cuántica afectarán a otras disciplinas de la "lógica difusa", como la inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático (ML).
• ¿Cuáles son las oportunidades de negocio relacionadas con la computación cuántica? Todas las industrias se beneficiarán a través de diferentes casos de uso, porque la computación cuántica permite consumir y procesar datos más rápido utilizando menos energía.
• ¿Cuáles son las empresas líderes en la carrera de la computación cuántica? AWS, Google, Honeywell, IBM y Microsoft están desarrollando capacidades y servicios de computación cuántica. Intel está construyendo procesadores cuánticos. Empresas más pequeñas, como 1QBit, D-Wave, IonQ y Rigetti Computing, también están trabajando en la computación cuántica, incluyendo dispositivos cuánticos y servicios cuánticos.
• ¿Qué es la computación cuántica como servicio? Tanto las grandes empresas tecnológicas como las startups que trabajan en el mundo cuántico han recurrido al modelo "como servicio" para poner esta nueva potencia informática a disposición de una audiencia más amplia.
• ¿Cuándo se lanzarán las computadoras cuánticas? Los sistemas limitados a un tipo específico de computación cuántica llamada enfriamiento digital están disponibles comercialmente, aunque aún no existe un beneficio claro en comparación con las computadoras tradicionales.
• ¿Cómo consigo una computadora cuántica? Varios proveedores ofrecen acceso basado en la nube a computadoras cuánticas. Aunque es posible comprar un sistema directamente, es probable que el costo sea prohibitivo, ya que los sistemas actuales solo son útiles para cargas de trabajo especializadas.

¿Qué es la computación cuántica?

La computación cuántica es una tecnología emergente que intenta superar las limitaciones inherentes de las computadoras tradicionales basadas en transistores. Las computadoras basadas en transistores dependen de la codificación de datos en bits binarios, ya sea 0 o 1. Las computadoras cuánticas utilizan qubits, que tienen propiedades operativas diferentes. Si bien es posible codificar datos binarios en un qubit, el estado natural de un qubit es esencialmente superposición. Esta propiedad permite que los qubits tengan valores de 0 y 1 (o valores entre 0 y 1) simultáneamente. Además, debido a las propiedades de la física cuántica, múltiples mediciones de qubits en estados idénticos no arrojarán resultados idénticos. Los qubits también pueden contener hasta dos bits de datos binarios como parte de un proceso llamado codificación superdensa.

Utilizando la computación cuántica, tareas matemáticamente complejas que actualmente suelen ser manejadas por supercomputadoras, como el plegado de proteínas, teóricamente pueden ser realizadas por computadoras cuánticas a un costo energético más bajo que las supercomputadoras basadas en transistores. Si bien las máquinas cuánticas actuales son básicamente dispositivos de prueba de concepto, los algoritmos que se utilizarían en máquinas listas para producción se están probando actualmente para garantizar que los resultados sean predecibles y reproducibles. En la etapa actual de desarrollo, un problema dado puede ser resuelto tanto por computadoras cuánticas como tradicionales (binarias). A medida que los procesos de fabricación utilizados para construir computadoras cuánticas se perfeccionen, se espera que sean más rápidas en tareas computacionales que las computadoras binarias tradicionales.

Además, la "supremacía cuántica" es el umbral en el cual se teoriza que las computadoras cuánticas son capaces de resolver problemas que las computadoras tradicionales (prácticamente) no podrían resolver. Hablando prácticamente, la supremacía cuántica proporcionaría un aumento de velocidad superpolinomial sobre el mejor algoritmo conocido (o posible) diseñado para computadoras tradicionales. Teóricamente, esto se puede demostrar utilizando el algoritmo de Shor para la factorización de números primos, que proporcionaría un aumento de velocidad cuando se realiza en una computadora cuántica, ya que se cree que factorizar es generalmente difícil con computadoras tradicionales (aunque esto no está "demostrado" en el sentido científico de "demostración").

Los investigadores utilizan la etiqueta NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum Computing) para describir todas las máquinas cuánticas que operan actualmente, lo que significa que las máquinas no tienen corrección completa de errores. Los investigadores pueden enviar sus consultas cuánticas a servicios basados en la nube para adquirir experiencia sobre lo que pueden hacer las computadoras cuánticas.

El futuro de la computación cuántica: avances y perspectivas para el 2021

Un artículo de investigación publicado en Science en octubre de 2018 titulado "Quantum advantage with shallow circuits" probó una variante del problema de Bernstein-Vazirani, en el que los investigadores demostraron que una computadora cuántica con una profundidad de circuito fija superará a una computadora clásica utilizada para calcular el mismo problema. Si bien esto por sí mismo no establece la supremacía cuántica, demuestra el potencial de las computadoras cuánticas a medida que los diseños refinados aumentan el número de qubits y la longitud de la coherencia cuántica, lo que permite realizar cálculos más complejos.

El "volumen cuántico" es otra forma de medir el progreso de la industria, como explicó Paul Smith-Goodson para Forbes. El volumen cuántico mide varios componentes del rendimiento de una computadora cuántica, incluyendo la coherencia, los errores de calibración, la interferencia, los errores de espectador, la fidelidad de las compuertas, la medición y la fidelidad. El cálculo también tiene en cuenta los elementos de diseño de cada máquina. La puntuación del volumen cuántico indica la complejidad de un problema que la computadora puede resolver.

IBM anunció en agosto de 2020 que ha logrado un volumen cuántico de 64 con un sistema desplegado en un cliente de 27 qubits. Honeywell informó en junio de 2020 que había alcanzado un volumen cuántico de 64 con un sistema de 6 qubits.

El próximo hito que aún se encuentra algunos años en el futuro es la "ventaja cuántica". Cuando las computadoras cuánticas alcancen ese hito, podrán resolver problemas del mundo real que las computadoras clásicas no pueden desbloquear.

¿Por qué es importante la computación cuántica?

Teóricamente, los avances en la computación cuántica llevarían a un avance en la factorización de enteros. Si la factorización de enteros se volviera trivial de realizar, la integridad de los sistemas de encriptación comúnmente utilizados se vería comprometida, lo que permitiría que cualquier individuo, organización o gobierno con acceso a computadoras cuánticas pudiera descifrar claves de encriptación mediante fuerza bruta, lo que les da acceso a dispositivos bloqueados o archivos encriptados. Debido a las preocupaciones en la comunidad de ciberseguridad sobre la viabilidad de las computadoras cuánticas para romper la encriptación, la investigación sobre la criptografía basada en retículos, que se cree que no es susceptible de ser rota por las computadoras cuánticas, ha aumentado.

En ese sentido, en enero de 2014, se informó que la NSA ha gastado $79.7 millones en un programa titulado "Penetrando blancos difíciles". Como parte de este programa, se realizó investigación para construir "una computadora cuántica criptográficamente útil". Los documentos citados en este informe indican que la NSA no ha tenido más éxito que otros investigadores apreciados. Del mismo modo, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) publicó una solicitud en diciembre de 2016 pidiendo comentarios públicos sobre cómo proteger las computadoras de la amenaza de que las computadoras cuánticas se utilicen para descifrar la encriptación.

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No hay un consenso sobre cuándo las computadoras cuánticas serán capaces de descifrar la encriptación. En una entrevista de mayo de 2018 con Newsmatic, Bob Sutor, vicepresidente de investigación cognitiva, blockchain y soluciones cuánticas de IBM Research, estimó que las computadoras cuánticas están a 30-40 años de romper los algoritmos criptográficos tradicionales. El mismo mes, Arvind Krishna, entonces director de investigación de IBM y actual CEO, advirtió que "Cualquiera que quiera asegurarse de que sus datos estén protegidos durante más de 10 años debe pasar a formas alternativas de encriptación ahora".

También se espera que la computación cuántica tenga otros impactos significativos fuera del campo de la criptografía. Debido a la naturaleza de la computación cuántica, son especialmente adecuadas para los llamados "problemas de optimización", donde existen una cantidad exponencial de permutaciones para evaluar. En una entrevista con Newsmatic, Andy Stanford Clark, CTO de IBM para el Reino Unido e Irlanda, proporcionó un ejemplo: "Si... estás optimizando las rutas de los aviones, o estás optimizando la disposición de las piezas de repuesto para una red ferroviaria, algo donde hay 2^n posibilidades y debes probar cada una para encontrar la solución óptima. Si tienes un problema de 2^100, que básicamente sería imposible de resolver en una computadora clásica, con una computadora cuántica de 100 qubits, podrías resolverlo en una sola operación".

¿A quién afecta la computación cuántica?

La investigación en computación cuántica está impulsando una gran cantidad de inversiones por parte de universidades, empresas de tecnología y capital de riesgo. Han surgido múltiples asociaciones público-privadas a medida que las empresas trabajan con los departamentos de investigación de universidades para encontrar casos de uso en los que se pueda aplicar la computación cuántica a las operaciones comerciales existentes.

La Red Q de IBM es la más grande de ellas, con universidades participantes como la Universidad Estatal de Carolina del Norte, la Universidad de Melbourne, la Universidad de Oxford y la Universidad de Keio, y empresas participantes como Samsung, JPMorgan Chase, Mitsubishi UFJ Financial Group, Mizuho Financial Group y Mitsubishi Chemical.

Otras incluyen una colaboración entre la empresa australiana Silicon Quantum Computing y la organización nacional de investigación y desarrollo de Francia, el Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA).

En diciembre de 2018, Trump promulgó la Ley de Iniciativa Cuántica Nacional. Esto estableció el Programa Nacional de Iniciativa Cuántica, que diseñará un plan de 10 años para acelerar el desarrollo de la ciencia y la tecnología de la información cuántica. La ley también dirigió al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, al Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, a la Fundación Nacional de Ciencia y al Departamento de Energía a que apoyen el esfuerzo con iniciativas relacionadas. La Casa Blanca anunció el Comité Asesor Nacional de Iniciativa Cuántica Nacional en agosto de 2020, el cual incluye a personas de la Universidad de Chicago, Intel, Google, Sandia National Laboratories, Microsoft Research, Harvard University, Duke University y otras universidades e institutos de investigación.

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