¿Está listo para la revolución de la computación cuántica?

La raza cuántica ya está en marcha. Los gobiernos y los inversores privados de todo el mundo están destinando miles de millones de dólares a la investigación y el desarrollo cuánticos. Se ha demostrado la distribución de claves cuánticas basadas en satélites para el cifrado, sentando las bases para una posible red mundial de comunicaciones basada en la seguridad cuántica. IBM, Google, Microsoft, Amazon, y otras empresas están invirtiendo considerablemente en el desarrollo de equipos y programas informáticos cuánticos a gran escala. Nadie está allí todavía. Aun así, los líderes empresariales deberían considerar el desarrollo de estrategias para abordar tres áreas principales: 1) la planificación de la seguridad cuántica, 2.) la identificación de casos de uso para la computación cuántica, y 3.) el pensamiento a través del diseño responsable. Al planificar de manera responsable y al mismo tiempo adoptar la incertidumbre futura, las empresas pueden mejorar sus probabilidades de estar preparadas para el futuro cuántico.

La física cuántica ya ha cambiado nuestras vidas. Gracias a la invención del láser y del transistor — ambos productos de la teoría cuántica — casi todos los dispositivos electrónicos que utilizamos hoy en día son un ejemplo de la física cuántica en acción. Ahora podemos estar al borde de una segunda revolución cuántica mientras intentamos aprovechar aún más el poder del mundo cuántico. La computación cuántica y la comunicación cuántica podrían afectar a muchos sectores, incluidos la salud, la energía, las finanzas, la seguridad y el entretenimiento. Estudios recientes predecir una industria cuántica multimillonaria para 2030. Sin embargo, es necesario superar importantes desafíos prácticos antes de poder alcanzar este nivel de impacto a gran escala.

Quantum versus clásico

Aunque la teoría cuántica tiene más de un siglo de antigüedad, la revolución cuántica actual se basa en la comprensión más reciente de que la incertidumbre — una propiedad fundamental de las partículas cuánticas — puede ser un recurso poderoso. A nivel de partículas cuánticas individuales, tales como electrones o fotones (partículas de luz), es imposible conocer con precisión cada propiedad de la partícula en un momento dado en el tiempo. Por ejemplo, el GPS de su coche puede indicarle su ubicación, su velocidad y dirección a la vez, y con la suficiente precisión para llegar a su destino. Pero un GPS cuántico no podía mostrar simultáneamente y con precisión todas esas propiedades de un electrón, no debido a un diseño defectuoso, sino porque las leyes de la física cuántica lo prohíben. En el mundo cuántico, debemos usar el lenguaje de la probabilidad, en lugar de la certeza. Y en el contexto de la computación basada en dígitos binarios (bits) de 0s y 1s, esto significa que los bits cuánticos (qubits) tienen alguna probabilidad de ser un 1 y alguna probabilidad de ser 0 al mismo tiempo.

Tal imprecisión es al principio desconcertante. En nuestros ordenadores clásicos cotidianos, 0 y 1 están asociados con interruptores y circuitos electrónicos encendidos y apagados. No saber si están exactamente encendidos o apagados no tendría mucho sentido desde el punto de vista informático. De hecho, eso conduciría a errores en los cálculos. Pero la idea revolucionaria detrás del procesamiento cuántico de la información es que la incertidumbre cuántica —una «superposición» difusa entre 0 y 1 — no es en realidad un error, sino una característica. Proporciona nuevas palancas para formas más potentes de comunicar y procesar datos.

Comunicación cuántica y computación cuántica en acción

Uno de los resultados de la naturaleza probabilística de la teoría cuántica es que la información cuántica no puede ser copiada con precisión. Desde una lente de seguridad, esto es un cambio de juego. Hackers que intentan copiar claves cuánticas utilizadas para cifrar y transmitir mensajes sería frustrado, incluso si tenían acceso a una computadora cuántica u otros recursos poderosos. Esta encriptación fundamentalmente inhackable se basa en las leyes de la física, y no en la algoritmos matemáticos complejos utilizado hoy en día. Mientras que las técnicas de encriptación matemática son vulnerables a ser descifradas por computadoras lo suficientemente poderosas, romper el cifrado cuántico requeriría violar las leyes de la física.

Así como el cifrado cuántico es fundamentalmente diferente de los métodos de cifrado actuales basados en la complejidad matemática, las computadoras cuánticas son fundamentalmente diferentes de las computadoras clásicas actuales. Los dos son tan diferentes como un coche y un caballo y un carro. Un coche se basa en el aprovechamiento de diferentes leyes de la física en comparación con un caballo y un carro. Te lleva a tu destino más rápido y a nuevos destinos que antes estaban fuera del alcance. Lo mismo se puede decir de una computadora cuántica en comparación con una computadora clásica. Una computadora cuántica aprovecha las leyes probabilísticas de la física cuántica para procesar datos y realizar cálculos de una manera novedosa. Puede completar ciertas tareas informáticas más rápido, y puede realizar tareas nuevas, antes imposibles, como, por ejemplo, teletransporte cuántico, donde la información codificada en partículas cuánticas desaparece en una ubicación y se recrea exactamente (pero no instantáneamente) en otra ubicación muy lejana. Aunque eso suena como ciencia ficción, esta nueva forma de transmisión de datos podría ser un componente vital de un futuro internet cuántico.

Una aplicación particularmente importante de las computadoras cuánticas podría ser simular y analizar moléculas para el desarrollo de medicamentos y el diseño de materiales. Una computadora cuántica es especialmente adecuada para tales tareas porque operaría sobre las mismas leyes de la física cuántica que las moléculas que está simulando. Uso de un dispositivo cuántico para simular la química cuántica podría ser mucho más eficiente que usar los superordenadores clásicos más rápidos hoy en día.

Las computadoras cuánticas también son ideales para resolver tareas de optimización complejas y realizar búsquedas rápidas de datos sin clasificar. Esto podría ser pertinente para muchas aplicaciones, de clasificar datos climáticos o datos financieros o de salud, a optimizar la logística de la cadena de suministro, la gestión de la fuerza de trabajo o el flujo de tráfico.

Preparación para el futuro cuántico

La raza cuántica ya está en marcha. Gobiernos e inversores privados de todo el mundo están vertiendo miles de millones de dólares en la investigación y el desarrollo cuánticos. Se ha demostrado la distribución de claves cuánticas basadas en satélites para el cifrado, sentando las bases para una posible red mundial de comunicaciones basada en la seguridad cuántica. IBM, Google, Microsoft, Amazon y otras empresas están invirtiendo fuertemente en el desarrollo de equipos y programas informáticos cuánticos a gran escala. Nadie está allí todavía. Si bien las computadoras cuánticas de pequeña escala están funcionando hoy en día, un obstáculo importante para ampliar la tecnología es la cuestión de tratar los errores. Comparado con los bits, los qubits son increíblemente frágiles. Incluso la más mínima perturbación del mundo exterior es suficiente para destruir la información cuántica. Es por eso que la mayoría de las máquinas actuales necesitan ser cuidadosamente blindadas en entornos aislados que operan a temperaturas mucho más frías que el espacio exterior. Si bien se ha desarrollado un marco teórico para la corrección de errores cuánticos, implementarlo de manera eficiente en la energía y los recursos plantea importantes desafíos de ingeniería.

Dado el estado actual del campo, no está claro cuándo o si se podrá acceder a toda la potencia de la computación cuántica. Aun así, los líderes empresariales deberían considerar la posibilidad de desarrollar estrategias para abordar tres áreas principales:

1. Planificación de la seguridad cuántica: Los protocolos actuales de cifrado de datos son vulnerables no solo a futuros ordenadores cuánticos, sino también a los equipos clásicos cada vez más potentes. Los nuevos estándares para el cifrado (ya sea clásico o cuántico) son inevitables. El cambio a una arquitectura de seguridad cuántica y una infraestructura de soporte para la seguridad de los datos requerirá planificación, recursos y experiencia cuántica. Incluso si las computadoras cuánticas pueden estar a una década de distancia, esperar hasta entonces para adaptarse sería demasiado tarde. El momento de iniciar el proceso es ahora.
2. Identificación de casos de uso: Nadie podría haber predicho la miríada de maneras en que las computadoras clásicas impactan todos los aspectos de nuestras vidas. Predecir aplicaciones cuánticas es igualmente difícil. Por eso, para aprovechar plenamente el potencial de la computación cuántica, los líderes empresariales y expertos en diferentes sectores como la salud, las finanzas o la energía deben conectarse con investigadores cuánticos e ingenieros de hardware/software. Esto facilitará el desarrollo de soluciones cuánticas específicas de la industria adaptadas a las tecnologías cuánticas disponibles actualmente o a la futura computación cuántica escalable. La experiencia interdisciplinaria y la capacitación serán fundamentales para construir y hacer crecer la tienda de aplicaciones cuánticas.
3. Pensar a través del diseño responsable: ¿Quién desarrollará y tendrá acceso a la tecnología cuántica, y cómo se comprometerán los usuarios con ella? El impacto de la IA y blockchain ha demostrado la necesidad de considerar las implicaciones sociales, éticas y ambientales de las nuevas tecnologías. Es temprano para la industria cuántica. Eso proporciona una rara oportunidad de incrustar prácticas inclusivas desde el principio y crear una hoja de ruta responsable y sostenible para la computación cuántica.

El rápido crecimiento en el sector de la tecnología cuántica en los últimos cinco años ha sido emocionante. Pero el futuro sigue siendo impredecible. Por suerte, la teoría cuántica nos dice que la imprevisibilidad no es necesariamente algo malo. De hecho, dos qubits se pueden bloquear juntos de tal manera que individualmente permanezcan indeterminados, pero conjuntamente están perfectamente sincronizados: ambos qubits son 0 o ambos son 1. Esta combinación de certeza conjunta e imprevisibilidad individual, un fenómeno llamado enredo, es un poderoso combustible que impulsa muchos algoritmos de computación cuántica. Tal vez también contiene una lección sobre cómo construir una industria cuántica. Al planificar de manera responsable y al mismo tiempo adoptar la incertidumbre futura, las empresas pueden mejorar sus probabilidades de estar preparadas para el futuro cuántico.

- Via HBR.org