¿Es real la computación cuántica?

Los investigadores han estado trabajando en los sistemas cuánticos por más de una década, con la esperanza de desarrollar computadoras súper pequeñas y súper poderosas. Y aunque todavía hay mucha emoción en torno a la computación cuántica, los continuos bloqueos están causando que algunos se pregunten si la computación cuántica alguna vez saldrá del laboratorio.

 

En primer lugar, ¿qué es la computación cuántica? Una definición simple es que las computadoras cuánticas utilizan los qubits (bits cuánticos) para codificar la información. Sin embargo, a diferencia de las computadoras basadas en silicio -que utilizan los bits que son ceros o unos-, los qubits pueden existir en estados múltiples simultáneamente. En otras palabras, un qubit es un bit de información que aún no ha decidido si quiere ser un cero o un uno.

 

En teoría, esto significa que los sistemas cuánticos pueden producir el procesamiento simultáneo de los cálculos, en esencia, verdaderos sistemas paralelos.

 

Olivier Pfister, profesor de física experimental atómica, molecular y óptica en la Universidad de Virginia, señala que los algoritmos cuánticos podrían lograr avances exponenciales en la velocidad informática, lo cual sería útil para la búsqueda de bases de datos, reconocimiento de patrones, resolución de problemas matemáticos complejos y grietas en los protocolos de cifrado.

 

"Pero hay numerosos obstáculos para alcanzar eso", agrega Pfister. El primero es la escalabilidad: ¿cómo construir sistemas con un gran número de qubits? El segundo es aún más desconcertante: ¿cómo se supera la "de coherencia"?, los cambios aleatorios en los estados cuánticos que se producen cuando los qubits interactúan con el entorno.

 

El primer obstáculo es obvio: los sistemas cuánticos son microscópicos. El reto es lograr niveles exquisitos de control a escala atómica, a través de miles de átomos. Hasta la fecha, esto solo ha sido alcanzado en el orden de diez átomos.

 

 

"Mi trabajo con los campos de óptica ha demostrado un buen control preliminar de más de 60 equivalentes qubit, que llamamos ‘Qmodes’, y tienen el potencial de escalar a miles de Qmodes", comenta Pfister. "Cada Qmode es de un color claramente especificado en el campo electromagnético; para desarrollar una computadora cuántica, se requieren casi cientos de miles de Qmodes".

 

La de coherencia es un problema aún más desconcertante. "Todos los algoritmos o patentes en el mundo no van a producir una computadora cuántica hasta que se aprenda a controlar la de coherencia", indica el profesor Philip Stamp, director del Pacific Institute para la física teórica, física y astronomía de la Universidad de British Columbia.

 

En los primeros días de la investigación cuántica, los informáticos utilizaban los métodos clásicos de corrección de errores para tratar de mitigar los efectos de la de coherencia, pero Stamp señala que esos métodos están resultando no ser aplicables a todo el mundo cuántico. "Los fuertes reclamos de corrección de errores como una panacea para hacer frente a la de coherencia, necesitan ser re-evaluados".

 

De acuerdo con Stamp, hay muchos experimentos por todo el mundo donde los investigadores afirman que han construido dispositivos de procesamiento de información cuántica, pero muchas de estas afirmaciones se disuelven cuando aparecen las preguntas difíciles acerca de la de coherencia para los sistemas multi-qubit.

 

Hasta ahora, los cálculos cuánticos más sofisticados se han realizado en los sistemas de "trampa de iones", con hasta ocho qubits entrelazados. Pero los físicos creen que el futuro a largo plazo de este campo se encuentra en los cálculos de estado sólido, es decir, en los procesadores hechos de electrónica de estado sólido (o todos los dispositivos electrónicos que se ven y se sienten más como microprocesadores regulares), en lugar de partículas atómicas. Esto no ha sido posible utilizando qubits de estado sólido hasta ahora, porque los qubits solo duraron un nanosegundo. Ahora bien, estos qubits pueden durar un microsegundo (mil veces más), lo cual es suficiente para ejecutar algoritmos simples.

 

Controversia cuántica
Los resultados más recientes que muestran una baja de coherencia para los qubits de moléculas magnéticas, se han publicado recientemente en la revista Nature International Weekly Journal por un equipo de investigadores de la empresa D-Wave Systems. D-Wave ha llevado a cabo una técnica denominada hibridación cuántica, que podría servir como modelo computacional de un procesador cuántico.

 

La doctora Suzanne Gildert, PhD de la Universidad de Birmingham, física experimental, y programadora de computadoras cuánticas (que ahora trabaja en D-Wave Systems), señala que con el recocido cuántico, la de coherencia no es un problema.

 

De acuerdo con Gildert, D-Wave utiliza Natural Quantum Computing (NQC) para construir sus computadoras cuánticas, lo que es muy diferente a los esquemas tradicionalmente propuestos. "Algunos esquemas de computación cuántica tratan de tomar las ideas de la computación regular -como las operaciones lógicas-. Y hacen ‘versiones cuánticas’ de ellas, lo que es extremadamente difícil de hacer. Hacer versiones ‘cuánticas’ de las operaciones informáticas es un proceso muy delicado. Es como tratar de mantener en pie un lápiz parándolo de punta sobre un bloque de madera, y luego mover el bloque tratando de equilibrar todo. Es casi imposible. Hay que trabajar duro para mantener el lápiz (es decir, los qubits) en la posición correcta. La de coherencia es lo que sucede cuando el lápiz se cae", agrega Gildert.

 

"En nuestro enfoque NQC, que es más escalable y robusto, dejamos que el lápiz se eche sobre la madera, y luego lo movemos. Estamos haciendo informática permitiendo que el lápiz ruede libremente, en lugar de pedirle que se mantenga en un estado inusual. Así que no tenemos el mismo problema de‘de coherencia’ de los bits porque el estado en el que estamos tratando de colocar el sistema es el natural (por eso lo llamamos Natural QC)".

 

Pero Jim Tully, vicepresidente y jefe de la investigación de semiconductores y electrónica de Gartner Research, señala que lo que D-Wave está haciendo no es realmente computación cuántica.

 

Tully comenta, "una subclase de computación cuántica ha sido demostrada por D-Wave Systems a la que se refieren como recocido cuántico, que consiste en la superposición, pero no involucra el entrelazado y no es; por lo tanto, computación cuántica ‘verdadera’. El recocido cuántico es potencialmente útil para la optimización, específicamente para los efectos de encontrar rápidamente un mínimo de matemáticas en un conjunto de datos".

 

Puede haber cierta controversia sobre si el enfoque de D-Wave es pura computación cuántica, pero Lockheed Martin es un creyente. Lockheed Martin posee un sistema de computación cuántica llamado D-Wave One, un procesador de 128 qubit y un sistema circundante (aparatos de refrigeración, salas de blindados, etc.) Lockheed está trabajando en un problema conocido como la verificación y validación para desarrollar herramientas que puedan ayudar a predecir cómo se comportará un sistema complejo, por ejemplo, para detectar si hay bichos en el sistema, que pueden hacer que el equipo se comporte de una manera defectuosa.

 

Keith Mordoff, directora de sistemas de Información y comunicaciones y soluciones globales en Lockheed Martin, agrega: "Sí, tenemos una computadora cuántica en pleno funcionamiento con 56 qubits, que es diferente de los métodos clásicos. D-Wave utiliza un enfoque cuántico adiabático o recocido, que define un sistema complejo cuyo estado fundamental (estado de baja energía) representa la solución al problema planteado. Que construye un sistema simple y lo inicia en su estado fundamental (relativamente sencillo para los sistemas simples), y después cambia lentamente el sistema simple hasta que se convierte en un sistema complejo. A medida que el sistema evoluciona, se mantiene en el estado fundamental, luego mide el estado del sistema final. Y esa será la respuesta al problema planteado. El cambio de sistema simple a complejo es inducido al encender un campo magnético de fondo".

 

Shock del futuro
Algunos científicos son muy escépticos acerca de la computación cuántica y dudan de que alguna vez se vuelva algo tangible.

 

Artur Ekert, catedrático de física cuántica, en el Instituto de Matemáticas de la Universidad de Oxford, señala que los físicos de hoy solo pueden controlar un puñado de bits cuánticos, lo cual es adecuado para la comunicación cuántica y la criptografía cuántica, pero nada más. Él señala que se necesitarán un poco más de qubits domesticados para producir repetidores cuánticos y memorias cuánticas, y aún más para proteger y corregir los datos cuánticos.

 

"Añada un poco más de qubits, y podremos ser capaces de realizar simulaciones cuánticas de algunos fenómenos cuánticos y así sucesivamente. Sin embargo, ¿cuándo este proceso llegará a una computadora cuántica? Es más una cuestión de definir lo que es una computadora cuántica. El mejor resultado de nuestra investigación en este campo sería descubrir que no podemos construir una computadora cuántica, por alguna razón muy fundamental, entonces tal vez podríamos aprender algo nuevo y profundo acerca de las leyes de la naturaleza", agrega Ekert.

 

Gildert añade que el área clave para la computación cuántica será el aprendizaje de máquinas, que está fuertemente ligado a la esfera de la inteligencia artificial (IA). Esta disciplina trata de construir programas de software que pueden aprender de la experiencia, a diferencia del software actual, que es estático.

 

"Esto es radicalmente diferente de la forma en que utilizamos la informática para la mayoría de las tareas de hoy", comenta Gildert. "La razón de que el software de aprendizaje no esté en todas partes, es que hay algunos problemas matemáticos muy difíciles conocidos como problemas de optimización bajo la cubierta cuando mira de cerca el software de aprendizaje automático. D-Wave está construyendo un motor de hardware que está diseñado para hacer frente a los problemas difíciles, abriendo la puerta a una forma completamente nueva de programación y creación de piezas útiles de código".

 

De acuerdo con Gildert, una aplicación muy importante en el mundo real es su aplicación en el campo del diagnóstico médico. Es posible escribir un programa que aplique reglas codificadas a los rayos X o imágenes de resonancia magnética, para tratar de detectar si hay un tumor en la imagen. Pero el software actual solo si puede operar de acuerdo al conocimiento de los médicos expertos acerca de lo que deben buscar en las imágenes. Con software de aprendizaje, se le muestra al programa ejemplos de rayos X o resonancia magnética, con y sin tumores, entonces aprende sus diferencias sin ayuda externa. Con esta tecnología, la computadora puede detectar anomalías que un médico no puede ver o ni siquiera notar. Y a más ejemplos mostrados, mejora la capacidad de detección del software.

 

"Es poco probable que las computadoras cuánticas reemplacen a las máquinas de escritorio en el corto plazo", señala Gildert. "En términos de años, depende del esfuerzo invertido, los fondos disponibles, y las personas que trabajen en el problema. La suposición lógica es que estas máquinas serán basadas en la nube con co-procesadores para centros de datos existentes utilizados por las empresas que tienen problemas difíciles de resolver. Los sistemas cuánticos son muy buenos en la solución de una clase específica de problemas difíciles en el campo de la IA y el aprendizaje de las máquinas, por lo que nos estamos concentrando en la construcción de herramientas que ayuden a introducir el potencial de la computación cuántica a las personas que trabajan en estas áreas".

 

Addison Snell, director general de Intersect360 Research, una firma analista especializada en informática de alto rendimiento, señala: "La computación cuántica sigue siendo de especial interés entre los laboratorios de investigación gubernamentales y de defensa. Y, al mismo tiempo los principios de la computación cuántica se han descrito desde hace años, es un paradigma totalmente nuevo, y el número de aplicaciones con las que trabajará, incluso teóricamente en este punto, es pequeña. Sin embargo, algunas de estas aplicaciones podrían ser relevantes para la seguridad nacional, por lo que se mantiene un alto grado de interés".

 

"La computación cuántica está, sin duda ‘en el radar’ de IBM, HP y otros proveedores de supercomputación, pero es difícil decir cuántos ingenieros tienen trabajando en esta tecnología. En este momento, no está claro si la computación cuántica alguna vez tendrá un papel más allá de un puñado de instalaciones de boutique de supercomputación; pero si lo hace, no es probable que veamos sistemas de trabajo disponibles en el mercado durante los próximos cinco años".

 

"Eso depende de lo que entendemos por sistemas de trabajo", agrega Stamp. "Si cree en D-Wave, ya tenemos un sistema disponible en el mercado ahora. Creo que para una verdadera computadora cuántica, podemos estar hablando de eso en unos 10 años por algo que una empresa muy grande pueda comprar, y de 25 a 30 años para el común de los consumidores".

 

"Yo pondría la computación cuántica, incluso si resulta competitiva y válida, de acá a 20 años debido a la infraestructura muy compleja que tiene que ir con ella", agrega Michael Peterson, analista y CEO de Strategic Research Corporation. "El desarrollo de una nueva tecnología como esta requiere romper las leyes de la física más de una vez. Sin embargo, lo hicimos con la tecnología de disco muchas veces durante los últimos 25 años, y vamos a hacerlo muchas veces más".

 

Mordoff añade que hay otras empresas comerciales evaluando las computadoras cuánticas, pero nadie en realidad las está “utilizando”, hasta ahora, a excepción de Lockheed y D-Wave, por supuesto. "Si queremos esto o no, tenemos que aventurarnos, finalmente, en un dominio cuántico", señala Ekert.

 

"Algunos investigadores creen que las computadoras cuánticas de propósito general nunca se desarrollarán. En su lugar, estarán dedicadas a una clase limitada de uso, tales como la optimización de motores de D-Wave Systems. Esto sugiere que las arquitecturas de las computadoras tradicionales descargan cálculos específicos dedicados a motores de aceleración cuántica. Aún estamos a aproximadamente 10 años antes de que el enfoque del motor esté listo para su adopción general por las clases de usuario que puede hacer uso de él, sin embargo, es probable que hayan ofertas atractivas para los proveedores de servicios cloud”, añade Tully.