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El salto cuántico: la nueva era de la informática

El salto cuántico: la nueva era de la informática

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La informática cuántica podría cambiarlo todo. Pero antes, los desarrolladores deben superar importantes obstáculos.

A principios de diciembre, un equipo de científicos chinos anunció que habían diseñado un ordenador cuántico que podría realizar un conjunto de cálculos matemáticos (conocidos como cómputos) casi 100 billones de veces más rápido que la supercomputadora más avanzada del mundo. El anunció llegó poco más de un año después de que Google anunciara su propio logro cuántico: había construido un sistema que era capaz de completar un cómputo complejo en 200 segundos, comparado con los casi 10 000 años que una supercomputadora clásica de última generación habría necesitado para realizar la misma tarea.

«El anuncio de Google fue un punto de inflexión», afirma Roger McKinley, director challenge de tecnologías cuánticas en el UK Research and Innovation, un organismo de financiación gubernamental británico. «Demostró viabilidad y una justificación para invertir».

La gran pregunta ahora es: ¿cuánto falta para que los ordenadores cuánticos se utilicen en el mundo real?

Para empezar a entender el potencial en el mundo real de la informática cuántica, la mayoría de la gente necesita algún tipo de explicación sobre cómo los ordenadores cuánticos funcionan de forma diferente a las supercomputadoras tradicionales. Los ordenadores convencionales se basan en bits, los incrementos de datos más pequeños, que codifican información en uno de dos estados: cero o uno. Por el contrario, los ordenadores cuánticos trabajan con cúbits que, reflejando las impresionantes normas de comportamiento de la mecánica cuántica, pueden estar en dos estados a la vez.

«En cuántica, se codifica información en grados de libertad de mecánica cuántica, y la manipulación de información ocurre en un espacio continuamente cambiante», comenta Chad Rigetti, fundador de Rigetti, una empresa emergente que fabrica circuitos integrados cuánticos utilizados para ordenadores cuánticos. «Es como comparar el polo norte y el polo sur [informática clásica] con un punto en cualquier parte de la tierra [informática cuántica], en términos de variaciones longitudinales y latitudinales».

En un sentido práctico, esto significa que los ordenadores cuánticos pueden procesar millones de cálculos al mismo tiempo. La idea no es nueva ya que el físico estadounidense Paul Benioff desarrolló el concepto hace décadas. Pero la teoría se está convirtiendo firmemente en realidad gracias a las inversiones de gigantes tecnológicos, al respaldo de gobiernos con previsión de futuro y a los diversos esfuerzos de empresas emergentes del sector de la alta tecnología, la mayoría procedentes de instituciones académicas.

La tecnología de la informática cuántica es incipiente, pero muestra un potencial verdaderamente disruptivo. Mediante la manipulación de todos los estados posibles de las partículas cuánticas, los ordenadores cuánticos prometen calcular de forma mucho más eficiente y rápida que las clásicas supercomputadoras. Pueden realizar muchas tareas que resultan imposibles con los métodos existentes, ofreciendo una particular promesa en el diseño de complejos procesos, lo que permite que avance nuestra habilidad para descubrir nuevos materiales, pronosticar el tiempo y el clima y diseñar medicamentos que salvan vidas.

Pero todavía hay retos que superar por más que tecnólogos en el ámbito académico y en el sector privado intenten demostrar que sus máquinas son estables y pueden funcionar a escala.

inversión global en ordenadores cuánticos

Salto cuántico

 

Alan Baratz, CEO de D-Wave Systems, una empresa canadiense que ha lanzado lo que afirma ser el primer ordenador cuántico disponible para su comercialización a nivel mundial, asegura que la tecnología ya ha alcanzado un nivel de viabilidad comercial. «Ahora podemos resolver problemas comerciales reales a escala».

El servicio de informática cuántica en la nube de la empresa, llamado Leap, cuesta 2000 dólares estadounidenses por hora para acceder al procesamiento de consultas, y 100 dólares por hora para servicios de resolución híbridos que combinan algoritmos clásicos y recursos cuánticos. Volkswagen, uno de los clientes de D-Wave, redujo el derroche en su proceso de pintado en un 80% gracias al cálculo de una secuencia más eficiente para sus herramientas de fabricación.

Las industrias de productos químicos y materiales se ven considerablemente beneficiadas. «Una empresa de baterías podría necesitar 18 meses para diseñar y probar un nuevo electrodo. Con cuántica, podrías simular que las propiedades materiales bajan a estado cuántico y hacerlo en dos semanas», afirma McKinley.

La simulación cuántica podría cambiar la forma en la que se organizan la investigación y el desarrollo científicos, permitiendo diseñar y simular el trabajo previamente a los experimentos de «ciencia húmeda».

Las industrias basadas en el conocimiento como las finanzas también podrían aprovechar el potencial cuántico. Rigetti está aplicando la informática cuántica para potenciar algoritmos de aprendizaje automático aplicados a conjuntos de datos financieros. «Las finanzas es un sector altamente computacional y matemático, y existen oportunidades para introducir una nueva forma de hardware informático en flujos de trabajo y rutinas en áreas como la optimización de carteras a gran escala», afirma Rigetti.

El banco británico Standard Chartered es uno de los participantes en un consorcio de 10 millones de libras esterlinas (13,3 millones de dólares estadounidenses) establecido por Rigetti para desarrollar aplicaciones cuánticas comerciales. El banco está explorando la informática cuántica para procesos entre los que se incluyen la simulación de carteras financieras y la exponencial aceleración de la generación de datos del mercado. Mientras tanto, el banco español CaixaBank ha empleado aprendizaje automático impulsado por cuántica para clasificar riesgo crediticio.

Los expertos creen que el aprendizaje automático, una popular rama de la inteligencia artificial, podría lograr su potencial solo si es turbopropulsada por ordenadores cuánticos. «El aprendizaje automático requiere mejor potencia de procesamiento. Existe un argumento según el cual no conseguiremos un aprendizaje automático real sin informática cuántica ya que hemos subestimado la complejidad real del aprendizaje automático», asegura McKinley.

Aún existen grandes obstáculos técnicos que superar. El principal entre todos ellos es crear suficientes cúbits sobre los que dirigir el procesamiento, ya que manipular partículas subatómicas es un proceso delicado cuya mínima alteración las convierte en inestables. Las tasas de error son altas para ciertos sistemas de informática cuántica y, cuanto más largo es el periodo de procesamiento, más probable es que aparezcan errores.

Existen muchas formas de crear sistemas cuánticos (empleando cúbits superconductores, iones atrapados, diamante y silicio) y aún no está claro cuál es la más efectiva. Esto está ralentizando la inversión.

«Tenemos un problema similar a la guerra de formato de cintas de video», comenta McKinley haciendo referencia a la presencia generalizada de dos formatos de hardware diferentes anteriores a la era del DVD y del streaming. «Existe más de un planteamiento de hardware y los inversores no tienen claro cuál deben respaldar». Esto es una buena señal de que existe un dominio transformacional, pero algunos inversores lo ven como un indicio de que aún es pronto y prefieren esperar a que las posibilidades se estrechen».

La financiación pública supondrá un importante puente. Las agencias con visión de futuro han observado las implicaciones sociales del beneficio cuántico. McKinley se refiere al procesamiento cuántico como un significativo impacto positivo en imagen y detección, lo que podría tener aplicaciones desde el diagnóstico médico por imágenes hasta sistemas autónomos y sin conductor y la monitorización de emisiones.

McKinley también destaca las repercusiones para la seguridad de quedarse rezagado en materia de informática cuántica. El programa nacional británico fue lanzado tras observar el «flash crash» de mayo de 2010, una conmoción financiera que borró fugazmente cientos de millones de dólares del mercado de valores. «Aquí, la velocidad de procesamiento dio lugar a la inestabilidad en las operaciones financieras. En una economía global, una vez que una empresa o país cuenta con nuevas capacidades, esto tendrá repercusiones».

El gobierno británico ha invertido alrededor de 1000 millones de libras esterlinas (1300 millones de dólares estadounidenses) en informática cuántica, incluyendo 120 millones en cuatro centros académicos-industriales que desarrollan planteamientos cuánticos para sensores y posicionamiento, tiempo e imagen. McKinley cree que el Reino Unido es pionero gracias a sus puntos fuertes en física e ingeniería y, paradójicamente, gracias al espacio para empresas emergentes y procedentes del ámbito académico creadas ante la falta de gigantes tecnológicos con sede en Reino Unido. «Como no hay grandes robles, entran mucha agua y sol en el suelo del bosque. No estamos a la sombra de Google o Microsoft».

Pero la carrera está en marcha ya que otros gobiernos también invierten sus propios recursos. El gobierno estadounidense ha anunciado recientemente una nueva financiación de 1000 millones de dólares estadounidenses en centros de investigación de IA e informática cuántica para explorar una gama de aplicaciones que van desde las ciencias oceánicas hasta la física de alta energía. La Unión Europea cuenta con la iniciativa Quantum Technologies Flagship a diez años, con 1000 millones de euros (1220 millones de dólares estadounidenses). Canadá ha invertido alrededor de 1000 millones de dólares estadounidenses a lo largo de más de una década hasta 2019 y se dice que el gobierno chino está construyendo un laboratorio nacional de Ciencias de la Información Cuántica por valor de 10 000 millones de dólares USD.

Una cosa es evidente: nadie quiere quedarse atrás en la carrera por el aprovechamiento cuántico.

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