Se acerca la computación cuántica. ¿Qué puede hacer?

La tecnología cuántica se acerca a la corriente principal. Goldman Sachs anunciado recientemente que podrían introducir algoritmos cuánticos para fizar los instrumentos financieros en tan solo cinco años. Honeywell prevé que cuántico formará una industria de 1 billón de dólares en las próximas décadas. Pero, ¿por qué firmas como Goldman están dando este salto, especialmente cuando las computadoras cuánticas comerciales están posiblemente a años de distancia?

Para entender lo que está pasando, es útil dar un paso atrás y examinar qué es exactamente lo que hacen los ordenadores.

Comencemos con la tecnología digital actual. En esencia, el ordenador digital es una máquina aritmética. Ha hecho que la realización de cálculos matemáticos fuera barata y su impacto en la sociedad ha sido inmenso. Los avances en hardware y software han hecho posible la aplicación de todo tipo de computación a productos y servicios. Los automóviles, lavavajillas y calderas de hoy tienen algún tipo de ordenador integrado, y eso es antes de que lleguemos a los teléfonos inteligentes e Internet. Sin ordenadores nunca habríamos llegado a la luna ni habríamos puesto satélites en órbita.

Estos ordenadores utilizan señales binarias (los famosos 1s y 0 de código) que se miden en «bits» o bytes. Cuanto más complicado sea el código, más potencia de procesamiento se requiere y más tiempo tarda el procesamiento. Lo que esto significa es que a pesar de todos sus avances, desde automóviles autónomos hasta vencer a los grandes maestros de Chess and Go, siguen habiendo tareas con las que los dispositivos informáticos tradicionales luchan, incluso cuando la tarea se dispersa en millones de máquinas.

Un problema particular con el que se enfrentan es una categoría de cálculo denominada combinatoria. Estos cálculos implican encontrar una disposición de los elementos que optimiza algún objetivo. A medida que aumenta el número de artículos, el número de arreglos posibles aumenta exponencialmente. Para encontrar el mejor arreglo, los ordenadores digitales actuales básicamente tienen que recorrer cada permutación para encontrar un resultado y luego identificar cuál es el mejor resultado para lograr el objetivo. En muchos casos, esto puede requerir un gran número de cálculos (piense en romper contraseñas, por ejemplo). El desafío de los cálculos combinatorios, como veremos en un minuto, se aplica en muchos campos importantes, desde finanzas hasta productos farmacéuticos. También es un cuello de botella crítico en la evolución de la IA.

Y aquí es donde entran las computadoras cuánticas. Así como las computadoras clásicas redujeron el costo de la aritmética, cuántica presenta una reducción de costes similar a la de calcular problemas combinatorios desalentadores.

El valor de Quantum

Las computadoras cuánticas (y el software cuántico) se basan en un modelo completamente diferente de cómo funciona el mundo. En la física clásica, un objeto existe en un estado bien definido. En el mundo de la mecánica cuántica, los objetos solo se producen en un estado bien definido después de observarlos. Antes de nuestra observación, los estados de dos objetos y su relación son cuestiones de probabilidad. Desde una perspectiva informática, esto significa que los datos se registran y almacenan de una manera diferente, a través de qubits de información no binarios en lugar de bits binarios, lo que refleja la multiplicidad de estados en el mundo cuántico. Esta multiplicidad puede permitir un cálculo de costes más rápido y menor para la aritmética combinatoria.

Si eso suena desalagado, es porque lo es. Incluso los físicos de partículas luchan por tener en cuenta la mecánica cuántica y las numerosas propiedades extraordinarias del mundo subatómico que describe, y este no es el lugar para intentar una explicación completa. Pero lo que podemos decir es que la mecánica cuántica explica mejor muchos aspectos del mundo natural que la física clásica, y se adapta a casi todas las teorías que ha producido la física clásica.

Quantum se traduce, en el mundo de la informática comercial, en máquinas y software que, en principio, pueden hacer muchas de las cosas que los ordenadores digitales clásicos pueden y, además, hacer algo importante que los ordenadores clásicos no pueden: realizar cálculos combinatorios rápidamente. Como describimos en nuestro documento, Aplicaciones comerciales de la computación cuántica, eso va a ser importante en algunos dominios importantes. En algunos casos, ya se sabe que la importancia de la combinatoria es fundamental para el dominio.

• Ingeniería química y biológica. La ingeniería química y biológica implica el descubrimiento y la manipulación de moléculas. Hacerlo implica el movimiento y la interacción de las partículas subatómicas. En otras palabras, implica mecánica cuántica. La simulación de la mecánica cuántica fue una motivación clave en La propuesta inicial de Richard Feynman para construir un ordenador cuántico. A medida que las moléculas se hacen más complejas, el número de configuraciones posibles crece exponencialmente. Se convierte en un cálculo combinatorio, adecuado para un ordenador cuántico. Por ejemplo, los ordenadores cuánticos programables ya han demostrado simulaciones exitosas de reacciones químicas simples, allanando el camino para simulaciones químicas cada vez más complejas en un futuro próximo. Con la viabilidad emergente de las simulaciones cuánticas, que ayuda a predecir las propiedades de las nuevas moléculas, los ingenieros podrán considerar configuraciones de moléculas que, de otro modo, serían difíciles de modelar. Esta capacidad significa que las computadoras cuánticas desempeñarán un papel importante en la aceleración de los esfuerzos actuales en el descubrimiento de materiales y el desarrollo de fármacos.
• Ciberseguridad. La combinatoria ha sido fundamental para el cifrado para más de mil años. 8 de Al-Khalil ^th siglo Libro de mensajes criptográficos examinó las permutaciones y combinaciones de palabras. El cifrado actual todavía se basa en la combinatoria, lo que hace hincapié en la suposición de que los cálculos combinatorios son esencialmente inmanejables. Sin embargo, con la informática cuántica, el cifrado de cracking se hace mucho más fácil, lo que supone una amenaza para la seguridad de los datos. Está creciendo un nuevo sector que ayuda a las empresas a prepararse para las próximas vulnerabilidades en su ciberseguridad. 

A medida que más personas dirigen su atención al potencial de la computación cuántica, surgen aplicaciones más allá de la simulación cuántica y el cifrado:

• Inteligencia artificial. La computación cuántica abre potencialmente nuevas oportunidades en la inteligencia artificial, que a menudo implica el procesamiento combinatorio de grandes cantidades de datos para hacer mejores predicciones y decisiones (piense en el reconocimiento facial o la detección de fraudes). Un campo de investigación creciente en aprendizaje automático cuántico identifica formas en que los algoritmos cuánticos pueden permitir una IA más rápida. Las limitaciones actuales de la tecnología y el software hacen que la inteligencia general artificial cuántica sea una posibilidad bastante remota, pero sin duda hace que las máquinas de pensamiento sean más que un tema de ciencia ficción.
• Servicios financieros. Las finanzas fueron uno de los primeros dominios en adoptar Big Data. Y gran parte de la ciencia detrás de la fijación de precios de activos complejos, como las opciones de acciones, implica un cálculo combinatorio. Cuando Goldman Sachs, por ejemplo, aplica un cálculo de alto nivel de cómputo conocido como simulación de Monte Carlo, que hace proyecciones basadas en movimientos simulados del mercado. La velocidad informática ha sido durante mucho tiempo una fuente de ventaja en los mercados financieros (donde los fondos de cobertura procuran obtener ventajas de milisegundos en la obtención de información de precios). Los algoritmos cuánticos pueden aumentar la velocidad de un importante conjunto de cálculos financieros.
• Fabricación compleja. Los ordenadores cuánticos se pueden utilizar para tomar grandes conjuntos de datos de fabricación sobre fallas operativas y traducirlos en desafíos combinatorios que, al combinarse con un algoritmo de inspiración cuántica, pueden identificar qué parte de un proceso de fabricación complejo contribuyó a incidentes de fallas del producto. Para productos como microchips en los que este proceso de producción puede tener miles de pasos, la cantidad cuántica puede ayudar a reducir los costosos fallos.

La oportunidad de que la computación cuántica resuelva problemas combinatorios a gran escala de forma más rápida y económica ha fomentado la inversión de miles de millones de dólares en los últimos años. La mayor oportunidad puede ser encontrar más aplicaciones nuevas que se beneficien de las soluciones ofrecidas a través de Quantum. Como profesor y emprendedor Alan Aspuru-Guzik dijo, hay «un papel para la imaginación, la intuición y la aventura. Quizá no se trate de cuántos qubits tenemos; tal vez se trate de cuántos hackers tenemos».