Quantum Computing: Potencial y retos de futuro

Según McKinsey, el mercado de la computación cuántica puede crecer hasta alcanzar unos 80.000 millones de dólares en 2035 o 2040. Actualmente nos encontramos en un momento en el que muchas tecnologías qubit están compitiendo para convertirse en la base de la primera computadora cuántica universal sin fallos, pero aún hay muchos retos a los que debe hacerse frente.

Analizamos su prospectiva de futuro, su potencial y el impacto que va a suponer para individuos y empresas.

Entrando en la computación cuántica

Hace unos meses os compartíamos otros artículos sobre si las empresas deben prepararse para la computación cuántica y los fundamentos alrededor del Quantum Computing.

Resumiendo, la informática cuántica aprovecha el poder de la mecánica cuántica para ayudarnos a superar las limitaciones que el mundo informático actual ha ido encontrando. Sin embargo, como el estado cuántico de una partícula es un fenómeno natural, significa que puede reproducirse de diferentes maneras.

Tiene el potencial de transformar numerosos sectores, pues este tipo de ordenadores resuelven problemas de forma exponencialmente más rápida y con menos consumo de energía que los ordenadores tradicionales.

Por ello, va a permitir a las empresas optimizar mejor sus estrategias de inversión, el cifrado o descubrir nuevos productos. Y algunas de sus aplicaciones más extendidas serán la criptografía, el análisis de datos, las predicciones, búsqueda de patrones, investigación de fármacos, etc.

Se ha alcanzado un punto de inflexión clave en la historia de la computación cuántica con el concepto de “supremacía cuántica”, que se refiere al punto en el que un ordenador cuántico supera a los superordenadores clásicos más potentes. Este logro muestra cómo los ordenadores cuánticos tienen la capacidad de abordar problemas complicados diez veces más rápido que los ordenadores clásicos.

De hecho, en 2019, Google alcanzó un punto de inflexión en este ámbito al lograr la supremacía cuántica, lo que indica que el uso de ordenadores cuánticos con fines útiles es factible.

Evaluación tecnologías qubit

Aún no ha surgido ningún enfoque para evaluar y comparar las tecnologías de qubits que pueda producir una computadora cuántica perfecta. Pero sí que encontramos 6 consideraciones y desafíos clave para evaluarlas:

• Fidelidad a escala: está íntimamente relacionada con el obstáculo que define la computación cuántica, que es aumentar el número de qubits y la potencia computacional para algoritmos complejos mientras se mantienen altos niveles de calidad.
• Velocidad de cálculo: los qubits individuales pueden conservar su estado cuántico (coherencia) solo durante un tiempo limitado, por lo que, para compensar, las operaciones de puerta deberían ocurrir con la suficiente rapidez para hacer posibles cálculos complejos antes de que los qubits pierdan coherencia.
• Redes multiqubit: cuantos más qubits puedan vincularse entre sí, más fácilmente podrán implementar algoritmos de computación cuántica y más poderosa será la computadora resultante.
• Control sobre qubits individuales a escala: este control es fundamental, pero, a medida que aumenta el número de qubits en un sistema de computación cuántica, el control sobre los individuales se vuelve cada vez más complejo.
• Refrigeración y control ambiental: la escala requerida del equipo de refrigeración en términos de tamaño y potencia está más allá de la viabilidad de los equipos disponibles actualmente.
• Fabricación: algunos diseños de qubits utilizan tecnología de producción existente, mientras que otros requieren nuevas técnicas de fabricación. Por ello, esta producción requerirá fabricación y pruebas automatizadas de componentes a escala.

Tecnologías principales de qubits

Debido a que la industria y la tecnología aún se encuentran en una etapa relativamente temprana de su desarrollo, McKinsey ha elegido las cinco tecnologías qubits principales:

• Redes fotónicas: en estas redes, cada qubit está codificado en un único fotón. Se prepara un estado de clúster inicial para luego ejecutar las operaciones de la puerta a través de una serie de mediciones de fotones. Tienen un gran potencial para un entrelazado cuántico masivo, velocidad y capacidad para operar a temperatura ambiente. Por el contrario, la mayor fuente de error es la pérdida de fotones durante los cálculos y su fuente.
• Circuitos superconductores: funcionan codificando cada qubit en los niveles de energía de pares de Cooper en lados opuestos de una unión de Josephon. Sus beneficios son la coherencia, velocidad de procesamiento y facilidad de fabricación. Además, se pueden seguir usando a medida que la tecnología madura y se agreguen más qubits. Sin embargo, el escalado, la calibración, la electrónica de control y la refrigeración suponen un desafío.
• qubits de giro: en los sistemas de qubits de espín, cada qubit está codificado en el espín del electrón de un punto cuántico semiconductor. Se establecen puertas de dos qubits entre electrones entrelazados en un chip de silicio, y los qubits se controlan mediante electrónica de microondas. Su pequeño tamaño y sencillez en la fabricación son grandes ventajas, pero se enfrentan a muchos de los desafíos de los superconductores, como la fidelidad a escala y la electrónica de control.
• Átomos neutros: en esta tecnología, un qubit está codificado en dos niveles hiperfinos de estado fundamental de un átomo. Sus ventajas van desde el escalado a la coherencia y enfriamiento, pero sus desafíos se centrar en el escalar a un millón de qubits, controlar la electrónica y las tasas de error, lo cual aún no está claro que sea posible.
• Iones atrapados: aquí cada qubit está codificado en dos estados de niveles de energía de un ión. Las puertas de dos qubits explotan el acoplamiento entre el electrón y el fonón, entre el estado de un electrón excitado de un ion y los modos vibratorios de la cadena iónica. Estos iones atrapados tienen el beneficio de las tasas de error más bajas entre las tecnologías que examinamos para sistemas pequeños de compuertas de dos qubits, así como menores requisitos de enfriamiento en comparación con otras tecnologías basadas en átomos. La fidelidad a escala también supone un desafío menor, pues los qubits pueden moverse y manipularse físicamente. Sin embargo, el aumento de qubits en estos sistemas es el obstáculo más importante.

Retos del Quantum Computing

A pesar de los notables avances, la computación cuántica sigue enfrentándose a muchos obstáculos tecnológicos que limitan por el momento sus aplicaciones, escalabilidad y fiabilidad.

Debido a su fragilidad, la interconexión de qubits, la decoherencia y el ruido externo, los sistemas cuánticos son propensos a errores. Por ello, es necesario mejorar las estructuras cuánticas tolerantes a fallos, los tiempos de coherencia de los qubits y los métodos de corrección de errores.

Por otro lado, la creación de hardware cuántico (sistemas de refrigeración criogénica, circuitos de control y fabricación de qubits) sigue siendo un reto técnico que requiere cooperación y creatividad interdisciplinarias.

Decoherencia

En comparación con los ordenadores clásicos, los cuánticos son extremadamente susceptibles al ruido, ya que el estado cuántico de los qubits es muy frágil y cualquier perturbación, como una ligera vibración o un cambio de temperatura puede afectar descontroladamente, provocando que se pierda la información almacenada.

La decoherencia plantea un desafío en la computación cuántica, pues, para evitar errores, los cálculos deben completarse antes de que ocurra esta decoherencia. Aunque aumentar el plazo de coherencia de un qubit es un área importante de investigación, un enfoque popular para abordarla es el desarrollo de códigos de corrección de errores.

Aunque corregir errores mediante códigos no es un concepto nuevo, se vuelve mucho más desafiante en el entorno cuántico que en el clásico, pudiendo manifestarse en cambios de fase, cambios de bits o una combinación de ambos. Además, los qubits no se pueden replicar como se hace con los bits clásicos, por lo que requiere de códigos de corrección mucho más complejos.

En este proceso, la información cuántica almacenada en un qubit lógico se protege de errores codificándola en varios qubits físicos. Y ahora hay muchos códigos ampliamente utilizados para la corrección de errores, cada uno de los cuales representa una forma diferente de codificar información cuántica, como el código Shor, el Steane o el Surface.

Escalabilidad

La escalabilidad se refiere a la capacidad de aumentar la cantidad de qubits en un sistema cuántico para permitir la resolución de problemas más complejos.

Es un proceso muy complejo debido a la dificultad de conectar una gran cantidad de qubits para crear sistemas más grandes. Una posible solución es el uso de técnicas de corrección de errores que implican la creación de redundancia en el sistema para permitir la detección y corrección de errores.

Pero, para que sea un proceso satisfactorio, estas técnicas requieren del uso de qubits adicionales y algoritmos complejos, lo que puede complicar aún más el proceso de escalado.

Implementación física

Existen distintos métodos para construir ordenadores cuánticos, como circuitos superconductores, iones atrapados y qubits topológicos. Cada método presenta sus propias dificultades, y aún no está claro cuál será el más viable para la computación cuántica a gran escala.

Coste y accesibilidad

Actualmente, los ordenadores cuánticos son caros y requieren de entornos muy especializados para funcionar. Por ello, uno de los grandes retos para esta tecnología es que sea accesible para un uso generalizado.

Mano de obra y experiencia

El campo del quantum computing requiere de un profundo conocimiento de la mecánica cuántica, la informática y la ingeniería, perfiles en los que por separado ya hay escasez de talento.

Encontrar profesionales con conocimientos de los tres es complicado, lo que puede ralentizar el desarrollo y la adopción de tecnologías de computación cuántica.

Computación cuántica e IA

Como ya hemos ido comentando anteriormente, la computación cuántica tiene el potenciar de revolucionar muchos campos, y la unión de esta con la inteligencia artificial es particularmente prometedora.

Aunque todavía estamos en las primeras etapas de comprensión de implementación de la IA con la tecnología cuántica, de esta sinergia pueden surgir numerosos beneficios e innovaciones potenciales, como avances significativos en las capacidades de la IA.

Según el Capitol Technology University, algunos de los campos en los que el quantum computing podría potenciar la IA son:

• Paralelismo y aceleración cuántica: las computadoras cuánticas aprovechan los principios de superposición y entrelazamiento, lo que les permite realizar múltiples cálculos simultáneamente. Este paralelismo podría conducir a una aceleración significativa de los algoritmos de IA, especialmente para tareas que implican procesar grandes conjuntos de datos o resolver problemas de optimización complejos.
• Optimización y ML: la computación cuántica es muy útil para resolver problemas de optimización que prevalecen en el Machine Learning. Los algoritmos cuánticos (como el QAOA) podrían emplearse para mejorar las tareas de optimización involucradas en el entrenamiento de modelos de ML, consiguiendo que los procesos sean más rápidos y eficientes.
• Procesamiento de datos mejorado: los ordenadores cuánticos destacan en el manejo y procesamiento de grandes cantidades de datos debido a su paralelismo inherente. Esta capacidad podría beneficiar a las aplicaciones de IA que requieren de un procesamiento de datos extenso, como el PLN, el reconocimiento de imágenes y los sistemas de recomendación.
• Cifrado y seguridad mejorados: la tecnología cuántica también supone una amenaza potencial para los métodos de cifrado actuales, pero también pueden usarse para mejorar la seguridad en las aplicaciones de IA. Un ejemplo es emplear técnicas criptográficas resistentes a los cuánticos para salvaguardar datos confidenciales, garantizando la privacidad y seguridad de los sistemas de IA.
• Exploración de redes neuronales cuánticas: las redes neuronales cuánticas son un área de investigación que tiene como objetivo combinar los principios de la computación cuántica con arquitecturas de redes neuronales. Estas podrían ofrecer nuevas formas de modelar y representar datos complejos, lo que podría llevar a modelos de IA más robustos y expresivos.
• Simulación de sistemas cuánticos: las computadoras cuánticas son expertas en simular sistemas cuánticos, lo que podría ser beneficioso para aplicaciones de IA relacionadas con la química cuántica, la ciencia de materiales y el descubrimiento de fármacos. Esta capacidad podría conducir a avances en la comprensión de interacciones moleculares complejas y el diseño de nuevos materiales.
• Eficiencia energética: este tipo de computación tiene el potencial de resolver problemas con muchos menos pasos que las computadoras clásicas, lo que podría conducir a algoritmos de IA más eficientes energéticamente, en especial para tareas que actualmente requieren amplios recursos computacionales.

En cuanto a los posibles desafíos y el futuro de la IA impulsada por tecnología cuántica, son los mismos que la propia computación por sí misma, como escalabilidad, corrección de errores o software y programación.

Futuro del Quantum Computing

A pesar de los retos y desafíos a los que se enfrenta la computación cuántica, su futuro parece prometedor. Gigantes tecnológicos como IBM, Google o Microsoft, junto con otras empresas de investigación, están invirtiendo grandes sumas de fondos en este campo.

Se va a convertir es una herramienta fundamental para la investigación científica, lo que facilitará la resolución de problemas que antes eran imposibles.

Los investigadores avanzan continuamente en el aumento de los tiempos de coherencia de los qubits, la reducción de las tasas de error y el desarrollo de nuevos algoritmos cuánticos. Por ello, los gobiernos también están comenzando a ver la importancia estratégica de la computación cuántica, lo que se traduce en un aumento de la financiación y los esfuerzos de colaboración.

A medida que la tecnología madure, será crucial mantenerse informado sobre los avances en computación cuántica. Es muy importante identificar estos casos de uso desde el principio, así como aclarar los desafíos involucrados en la gestión de expectativas. Se pueden probar que funcionan a baja escala y, a medida que los ordenadores cuánticos vayan creciendo en qubits, se podrán ir ejecutando esos mismos algoritmos con mayor cantidad de datos. El crecimiento de la capacidad cuántica es exponencial, por lo que, por cada ordenador que consiga un qubit más, duplicará la capacidad de cálculo.

En Plain Concepts podemos ayudarte a prepararte para esta nueva ola tecnológica que cambiará la forma de hacer negocios tal y cómo la conocemos.