¿Qué es la computación cuántica? La próxima era de la evolución computacional, explicada


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Cuando te topas por primera vez con el término "computadora cuántica", puedes pasarlo como un concepto de ciencia ficción lejano en lugar de una noticia seria.

Pero con la frase lanzada con mayor frecuencia, es comprensible preguntarse exactamente qué son las computadoras cuánticas, y tan comprensible estar perdido en cuanto a dónde sumergirse. Aquí está el resumen de qué son las computadoras cuánticas, por qué hay tanto zumba a su alrededor y lo que podrían significar para ti.

¿Qué es la computación cuántica y cómo funciona?

Toda la informática se basa en bits, la unidad de información más pequeña que se codifica como un estado "encendido" o un estado "apagado", más comúnmente conocido como 1 o 0, en algún medio físico u otro.

La mayoría de las veces, un poco toma la forma física de una señal eléctrica que viaja a través de los circuitos en la placa base de la computadora. Al unir varios bits juntos, podemos representar cosas más complejas y útiles como texto, música y más.

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Investigación de IBM

Las dos diferencias clave entre los bits cuánticos y los bits "clásicos" (de las computadoras que usamos hoy) son la forma física que toman los bits y, en consecuencia, la naturaleza de los datos codificados en ellos. Los bits eléctricos de una computadora clásica solo pueden existir en un estado a la vez, ya sea 1 o 0.

Los bits cuánticos (o "qubits") están hechos de partículas subatómicas , es decir, fotones o electrones individuales. Debido a que estas partículas subatómicas se ajustan más a las reglas de la mecánica cuántica que la mecánica clásica, exhiben las extrañas propiedades de las partículas cuánticas. La más destacada de estas propiedades para los informáticos es la superposición. Esta es la idea de que una partícula puede existir en múltiples estados simultáneamente, al menos hasta que ese estado se mida y se colapse en un solo estado. Al aprovechar esta propiedad de superposición, los informáticos pueden hacer que los qubits codifiquen un 1 y un 0 al mismo tiempo .

La otra peculiaridad de la mecánica cuántica que hace que las computadoras cuánticas funcionen es el enredo, un enlace de dos partículas cuánticas o, en este caso, dos qubits. Cuando las dos partículas están enredadas, el cambio en el estado de una partícula alterará el estado de su compañero de una manera predecible, lo cual es útil cuando llega el momento de obtener una computadora cuántica para calcular la respuesta al problema que la alimenta.

Los qubits de una computadora cuántica comienzan en su estado híbrido 1 y 0 cuando la computadora inicialmente comienza a resolver un problema. Cuando se encuentra la solución, los qubits en superposición colapsan a la orientación correcta de 1s y 0s estables para devolver la solución.

¿Cuál es el beneficio de la computación cuántica?

Aparte del hecho de que están mucho más allá del alcance de todos menos de los equipos de investigación de élite (y probablemente permanecerán así por un tiempo), la mayoría de nosotros no tenemos mucho uso para las computadoras cuánticas. No ofrecen ninguna ventaja real sobre las computadoras clásicas para el tipo de tareas que hacemos la mayor parte del tiempo.

Sin embargo, incluso las supercomputadoras clásicas más formidables tienen dificultades para resolver ciertos problemas debido a su complejidad computacional inherente. Esto se debe a que algunos cálculos solo se pueden lograr mediante la fuerza bruta, adivinando hasta que se encuentre la respuesta. Terminan con tantas soluciones posibles que tomaría miles de años para que todas las supercomputadoras del mundo combinadas encuentren la correcta.

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Investigación de IBM

La propiedad de superposición exhibida por qubits puede permitir que las supercomputadoras reduzcan este tiempo de adivinanzas precipitadamente. Los laboriosos cálculos de prueba y error de la computación clásica solo pueden hacer una suposición a la vez, mientras que el estado dual 1 y 0 de los qubits de una computadora cuántica le permite hacer múltiples suposiciones al mismo tiempo.

Entonces, ¿qué tipo de problemas requieren todo este cálculo de conjeturas que consume mucho tiempo? Un ejemplo es simular estructuras atómicas, especialmente cuando interactúan químicamente con las de otros átomos. Con una computadora cuántica impulsando el modelado atómico, los investigadores en ciencia de materiales podrían crear nuevos compuestos para su uso en ingeniería y fabricación. Las computadoras cuánticas son muy adecuadas para simular sistemas intrincados similares, como las fuerzas económicas del mercado, la dinámica astrofísica o los patrones de mutación genética en los organismos, por nombrar solo algunos.

Sin embargo, en medio de todas estas aplicaciones generalmente inofensivas de esta tecnología emergente, también hay algunos usos de las computadoras cuánticas que generan serias preocupaciones. Con mucho, el daño más frecuentemente citado es la posibilidad de que las computadoras cuánticas rompan algunos de los algoritmos de encriptación más fuertes actualmente en uso .

En manos de un agresivo adversario del gobierno extranjero, las computadoras cuánticas podrían comprometer una amplia franja de tráfico de Internet seguro, dejando comunicaciones sensibles susceptibles a una vigilancia generalizada. Actualmente se está trabajando para madurar cifrados de cifrado basados ​​en cálculos que aún son difíciles de realizar incluso para computadoras cuánticas, pero que no están todos listos para el horario de máxima audiencia, o están ampliamente adoptados en la actualidad.

¿Es posible la computación cuántica?

Hace poco más de una década, la fabricación real de computadoras cuánticas apenas estaba en sus etapas incipientes. Sin embargo, a partir de la década de 2010, el desarrollo de prototipos de computadoras cuánticas en funcionamiento despegó. Varias compañías han ensamblado computadoras cuánticas en funcionamiento desde hace unos años, con IBM llegando a permitir que los investigadores y aficionados ejecuten sus propios programas en la nube .

Característica de IBM Quantum Computing
Brad Jones / Tendencias digitales

A pesar de los avances que indudablemente han hecho compañías como IBM para construir prototipos funcionales, las computadoras cuánticas aún están en su infancia. Actualmente, las computadoras cuánticas que los equipos de investigación han construido hasta ahora requieren muchos gastos generales para ejecutar la corrección de errores. Por cada qubit que realmente realiza un cálculo, hay varias docenas cuyo trabajo es compensar el error. El conjunto de todos estos qubits hacen lo que se llama un "qubit lógico".

En pocas palabras, los titanes de la industria y académicos han logrado que las computadoras cuánticas funcionen, pero lo hacen de manera muy ineficiente.

¿Quién tiene una computadora cuántica?

La feroz competencia entre los investigadores de computación cuántica todavía está en su apogeo, entre grandes y pequeños jugadores por igual. Entre los que tienen computadoras cuánticas en funcionamiento se encuentran las compañías tecnológicas tradicionalmente dominantes que uno esperaría: IBM, Intel, Microsoft y Google.

A pesar de lo exigente y costoso de una empresa que es la creación de una computadora cuántica, hay un sorprendente número de compañías más pequeñas e incluso nuevas empresas que están a la altura del desafío.

Los sistemas D-Wave comparativamente delgados han estimulado muchos avances en el campo y han demostrado que no estaba fuera de discusión respondiendo al anuncio trascendental de Google con la noticia de un gran acuerdo con Los Alamos National Labs . Aún así, competidores más pequeños como Rigetti Computing también están en la carrera por establecerse como innovadores de computación cuántica .

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Dependiendo de a quién le pregunte, obtendrá un favorito diferente para la computadora cuántica "más poderosa". Google ciertamente hizo su caso recientemente con su logro de la supremacía cuántica , una métrica que Google mismo ideó más o menos. La supremacía cuántica es el punto en el que una computadora cuántica es capaz de superar a una computadora clásica en algún cálculo. El prototipo Sycamore de Google equipado con 54 qubits fue capaz de romper esa barrera al superar un problema en poco menos de tres minutos y medio que le llevaría a la supercomputadora clásica más poderosa 10,000 años.

Para no quedarse atrás, D-Wave se jacta de que los dispositivos que pronto suministrará a Los Alamos pesan 5000 qubits cada uno, aunque debe tenerse en cuenta que la calidad de los qubits de D-Wave se ha cuestionado antes . IBM no ha tenido el mismo impacto que Google y D-Wave en los últimos años, pero tampoco deberían descartarse, especialmente teniendo en cuenta su historial de logros lentos y constantes .

En pocas palabras, la carrera por la computadora cuántica más poderosa del mundo está tan abierta como siempre.

¿La computación cuántica reemplazará a la computación tradicional?

La respuesta breve a esto es "no realmente", al menos para el futuro a corto plazo. Las computadoras cuánticas requieren un inmenso volumen de equipos y entornos finamente ajustados para funcionar. La arquitectura líder requiere enfriamiento a solo grados superiores al cero absoluto, lo que significa que no son prácticamente prácticos para los consumidores comunes.

Krysta Svore Microsoft Q # Codificación de computación cuántica
Microsoft

Pero como lo ha demostrado la explosión de la computación en la nube, no es necesario tener una computadora especializada para aprovechar sus capacidades. Como se mencionó anteriormente, IBM ya está ofreciendo a los atrevidos tecnófilos la oportunidad de ejecutar programas en un pequeño subconjunto de los qubits de su Q System One . Con el tiempo, IBM y sus competidores probablemente venderán tiempo de cómputo en computadoras cuánticas más robustas para aquellos interesados ​​en aplicarlos a problemas inescrutables.

Pero si no está investigando los tipos de problemas excepcionalmente difíciles que las computadoras cuánticas intentan resolver, probablemente no interactuará mucho con ellos. De hecho, las computadoras cuánticas son en algunos casos peores en el tipo de tareas que usamos para todos los días, simplemente porque las computadoras cuánticas son muy especializadas. A menos que sea un académico que ejecuta el tipo de modelado en el que prospera la computación cuántica, es probable que nunca tenga en sus manos uno y nunca lo necesite.

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