Las computadoras cuánticas lo cambiarán todo. Pero no reemplazarán tu computadora portátil

Imagen: IonQ

Con todo el entusiasmo que rodea a la computación cuántica proveniente de investigadores, empresas e incluso gobiernos, es tentador imaginar un futuro en el que las ofertas de Amazon Prime Day incluyan atractivos descuentos en las computadoras cuánticas de última generación, listas para ser entregadas en su puerta al día siguiente. .

Después de todo, las primeras computadoras clásicas construidas a mediados del siglo XX eran sistemas gigantescos que en ese momento se consideraban la cúspide de la tecnología, a los que sólo podían acceder investigadores vestidos de blanco en laboratorios secretos. Para la mayoría de las personas, la idea de utilizar una computadora para las aplicaciones cotidianas parecía simplemente ridícula.

Pero con la producción en masa de potentes microprocesadores sobre chips semiconductores en la década de 1970, los aficionados de repente pudieron poseer una computadora personal. La recepción fue abrumadoramente entusiasta y el resto es historia: hoy en día, cientos de millones de PC se envían cada año a todo el mundo.

Entonces, ¿deberíamos esperar que la computación cuántica siga el mismo camino? Las computadoras cuánticas, hasta cierto punto, son el equivalente moderno de aquellas computadoras gigantes de la década de 1950. Se sientan, rodeados de enormes cantidades de equipos elaborados, en laboratorios especializados. Actualmente, son muy pocos los dispositivos que se comercializan y los que lo hacen tienen un precio exorbitante.

Sin embargo, la promesa de la computación cuántica es aparentemente inmensa. Según los expertos, la tecnología es un paradigma completamente nuevo que podría incluso evitar la ruptura de la ley de Moore: la idea de que los fabricantes están empaquetando un número cada vez mayor de transistores en chips cada vez más pequeños, lo que significa que inevitablemente nos acercamos a la física. límites de la potencia de cálculo.

Aprovechando las propiedades de una física extraña conocida como mecánica cuántica, las computadoras cuánticas podrían, en principio, aumentar exponencialmente la potencia de cálculo disponible. Esto significaría encontrar respuestas a problemas que son imposibles de resolver en un tiempo razonable para las computadoras clásicas: piense en simular nuevos materiales con extrema precisión o pronosticar variaciones climáticas con gran precisión.

Por lo tanto, no es exagerado anticipar que herramientas tan excelentes se abrirán paso gradualmente en la vida de los consumidores una vez que estén listas para su comercialización, e incluso que reemplazarán a las computadoras que conocemos hoy.

No tan rápido, advierte Bill Fefferman, profesor asistente del departamento de informática de la Universidad de Chicago. “La computación cuántica es enormemente apasionante, pero tal vez no por las razones por las que la gente piensa que es apasionante”, dice Fefferman a .

“La computación cuántica no será una aceleración de propósito general para todos los problemas. De hecho, tenemos mucha evidencia que muestra que para muchas tareas, no podremos obtener una aceleración significativa en una computadora cuántica”.

Los procesos cotidianos que implican la manipulación de datos transaccionales (comprar un artículo o verificar proyecciones de ingresos, por ejemplo) se llevan a cabo mucho mejor con computadoras clásicas, al igual que las aplicaciones de bases de datos. El correo electrónico, las llamadas de voz y video, o el desplazamiento por las redes sociales funcionan bien en los teléfonos y computadoras portátiles existentes, y se espera que las computadoras cuánticas cambien muy poco en este ámbito.

Esta es la razón por la que incluso dentro de 100 años, dice Fefferman, cuando esté disponible una computadora cuántica universal tolerante a fallas, los consumidores seguirán usando computadoras clásicas para muchas, si no la mayoría, de las tareas.

Se espera que las computadoras cuánticas destaquen en un conjunto de casos de uso específicos. Los ejemplos incluyen la computación en química y física, por ejemplo para descubrir mejores antibióticos y medicamentos; pero los investigadores también están investigando posibles casos de uso en el aprendizaje automático y la inteligencia artificial, así como formas en que la computación cuántica podría acelerar los problemas de optimización en industrias como las finanzas o el transporte.

Para esas aplicaciones específicas, la computación cuántica podría proporcionar una velocidad extrema que superará a la computación clásica. El concepto es similar al uso de Unidades de procesamiento de gráficos (GPU), que pueden mejorar una Unidad central de procesamiento (CPU) para ciertos casos de uso, como el aprendizaje automático. Por lo tanto, además de una GPU, los científicos e ingenieros podrían algún día tener la opción de aprovechar las capacidades de una Unidad de Procesamiento Cuántico (QPU).

Pero incluso si se utiliza una QPU, las computadoras clásicas seguirán siendo fundamentales para el cálculo. “No se puede enviar un trabajo, llamado circuito, para que se ejecute en una computadora cuántica sin involucrar a una computadora clásica”, dice a Bob Sutor, principal exponente cuántico de IBM. “Del mismo modo, no se puede obtener la respuesta sin utilizar ordenadores clásicos cerca del sistema cuántico y en la nube”.

Al ejecutar un programa cuántico, los desarrolladores utilizan hardware clásico, como una computadora portátil, para enviar consultas a través de la nube al hardware cuántico. Es por eso que IBM está trabajando en el desarrollo de computación cuántica y clásica integrada: por ejemplo, a principios de este año la compañía lanzó una herramienta llamada Qiskit Runtime, que ayuda a reducir la latencia entre el procesador cuántico y el dispositivo clásico que realiza consultas.

La latencia es un área particular de atención para IBM, porque parece poco probable que los desarrolladores que trabajan en computadoras cuánticas se ubiquen cerca de los dispositivos.

Actualmente, los sistemas cuánticos requieren entornos de laboratorio altamente especializados, junto con equipos voluminosos y complejos. Los ordenadores cuánticos de IBM, por ejemplo, necesitan mantenerse a una temperatura de unos -270 grados Celsius para funcionar. Entonces, aunque la tecnología se volverá más práctica a medida que crezca, hay pocos indicios de que los dispositivos cuánticos lleguen a las oficinas y hogares en el corto plazo.

En cambio, el acceso se basará en gran medida en la nube, predice Sutor. “Aunque su teléfono y su computadora portátil tienen excelentes aplicaciones, en secreto, esas aplicaciones se extienden a través de Internet para calcular en una o más nubes”, dice Sutor. “Puede que tengas tu teléfono en la mano, pero no tienes toda la potencia informática de la nube en tu hogar o negocio. Entonces, cuando se trata de computación cuántica, podemos preguntarnos: '¿Por qué no hacerlo en la nube?' ”

Incluso podría ser que los usuarios no se den cuenta de que están aprovechando los recursos de una computadora cuántica para ejecutar ciertas aplicaciones, del mismo modo que usted no es consciente del hecho de que está utilizando la nube casi a diario para aplicaciones en su iPhone. o teléfono Android.

Todos los principales proveedores de nube (AWS, Microsoft Azure y Google Cloud) ahora ofrecen acceso a la computación cuántica de alguna forma. También están surgiendo empresas más pequeñas en el espacio con ofertas cuánticas basadas en la nube: la nueva empresa británica Oxford Quantum Circuits, por ejemplo, ha puesto a disposición un servicio de nube privada para acceder a su computadora cuántica superconductora. Esto está dando lugar al concepto de computación cuántica como servicio (QCaaS), un término que se está abriendo camino cada vez más en la jerga empresarial del ecosistema cuántico.

Dicho esto, algunos usuarios especializados seguirán necesitando la capacidad computacional de su propia computadora cuántica. La Clínica Cleveland, por ejemplo, ya ha firmado una asociación para construir su propio sistema cuántico local, con el fin de contribuir a la investigación dedicada a amenazas a la salud pública como la pandemia de COVID-19.

Y se están realizando investigaciones para reducir el tamaño de los sistemas cuánticos con el fin de adaptarlos a los centros de datos habituales. La UE lanzó recientemente un proyecto de 10 millones de euros (11,6 millones de dólares) dedicado a crear una computadora cuántica compacta que cumpla con los estándares de la industria sin necesidad de un entorno de laboratorio ultraestable para su funcionamiento. En noticias recientes, los científicos que trabajan en la iniciativa instalaron con éxito una computadora cuántica con trampa de iones completamente funcional en dos bastidores de servidores de 19 pulgadas, como los que normalmente se encuentran en los centros de datos de todo el mundo.

En ese contexto, la perspectiva de que algún día las computadoras cuánticas se generalicen parece mucho más realista; lo suficientemente realista, incluso, como para imaginar que los sistemas a escala de consumo algún día, en un futuro lejano, lleguen a las tiendas minoristas. Las computadoras cuánticas nunca reemplazarán a los teléfonos y computadoras portátiles al abrir un documento de Word o enviar mensajes a un amigo; pero esas eran aplicaciones con las que los científicos que trabajaban con computadoras clásicas en la década de 1950 nunca soñaron. Por lo tanto, es imposible predecir lo que las computadoras cuánticas podrían desbloquear en el transcurso del próximo siglo.