¿Estás listo para la revolución de la computación cuántica?
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Mucho hemos escuchado sobre el alcance de la física cuántica en los últimos años. Es una historia que viene desde las aportaciones de Albert Einstein a mediados del siglo pasado hasta llegar a los más recientes experimentos – con fotones y la aceleración de partículas -.[1] La manera en que entendemos nuestro Universo se modifica constantemente, ya sea individual, social o culturalmente, por lo que posiblemente nos sorprenderá la relevancia que involucra la discusión teórica en este artículo.
Aún hay mucha magia en el Universo que no logramos entender. La física cuántica intenta desmenuzar cada elemento de la trama cósmica para sostener conocimiento con estudios físicos y astronómicos especializados. Este artículo de Shohini nos instruye sobre el tema con una redacción experta y ligera, leamos. “La física cuántica ya ha cambiado nuestras vidas. Gracias a la invención del láser y el transistor (ambos productos de la teoría cuántica), casi todos los dispositivos electrónicos que usamos 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 predicen una industria cuántica multimillonaria para 2030. Sin embargo, es necesario superar importantes desafíos prácticos antes de que se pueda lograr este nivel de impacto a gran escala.
Cuántico versus clásico
Aunque la teoría cuántica tiene más de un siglo, 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, como electrones o fotones (partículas de luz), es imposible conocer con precisión todas las propiedades de la partícula en un momento dado. Por ejemplo, el GPS de su automóvil puede indicarle su ubicación, velocidad y dirección de una sola vez, y con la suficiente precisión para llegar a su destino. Pero un GPS cuántico no podría mostrar de forma simultánea y precisa 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 utilizar el lenguaje de la probabilidad, en lugar de la certeza.Y en el contexto de la computación basada en dígitos binarios (bits) de 0 y 1, 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 desconcertante al principio. En nuestras computadoras clásicas cotidianas, los ceros y unos están asociados con interruptores y circuitos electrónicos que se encienden y apagan. No saber si están exactamente encendidos o apagados no tendría mucho sentido desde un punto de vista informático. De hecho, eso daría lugar a errores en los cálculos. Pero la idea revolucionaria detrás del procesamiento de información cuántica es que la incertidumbre cuántica, una “superposición” difusa entre 0 y 1, en realidad no es un error, sino una característica. Proporciona nuevas palancas para formas más potentes de comunicar y procesar datos.
Comunicación cuántica y computación cuántica en acción
Un resultado de la naturaleza probabilística de la teoría cuántica es que la información cuántica no se puede copiar con precisión. Desde el punto de vista de la seguridad, esto es un cambio de juego. Los piratas informáticos que intentan copiar claves cuánticas que se utilizan para cifrar y transmitir mensajes se verían frustrados, incluso si tuvieran acceso a una computadora cuántica u otros recursos poderosos. Este cifrado fundamentalmente imposible de piratear se basa en las leyes de la física y no en los complejos algoritmos matemáticos que se utilizan en la actualidad. Si bien las técnicas de cifrado matemático son vulnerables a ser descifradas por computadoras lo suficientemente potentes, descifrar 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 automóvil se basa en aprovechar diferentes leyes de la física en comparación con un caballo y un carro. Lo lleva a su destino más rápido y a nuevos destinos que antes estaban fuera de su alcance. Lo mismo puede decirse 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, previamente imposibles, como, por ejemplo, la teletransportación cuántica, donde la información codificada en partículas cuánticas desaparece en un lugar y se recrea exactamente (pero no instantáneamente) en otro lugar lejano. Si bien eso suena a ciencia ficción, esta nueva forma de transmisión de datos podría ser un componente vital de una futura internet cuántica.
Una aplicación particularmente importante de las computadoras cuánticas podría ser simular y analizar moléculas para el desarrollo de fármacos y el diseño de materiales. Una computadora cuántica es especialmente adecuada para estas tareas porque funcionaría con las mismas leyes de la física cuántica que las moléculas que está simulando. Usar un dispositivo cuántico para simular la química cuántica podría ser mucho más eficiente que usar las supercomputadoras clásicas más rápidas de la actualidad.
[1] CERN es un laboratorio magno con tecnología de punta donde se recopilan datos para estudiar el funcionamiento y la estructura del Universo (https://home.cern).
Las computadoras cuánticas también son ideales para resolver tareas de optimización complejas y realizar búsquedas rápidas de datos sin clasificar. Esto podría ser relevante para muchas aplicaciones, desde la clasificación de datos climáticos o de salud o financieros , hasta la optimización de la logística de la cadena de suministro, la gestión de la fuerza laboral o el flujo de tráfico.
Preparándose para el futuro cuántico
La carrera cuántica ya está en marcha. Los gobiernos y los inversores privados de todo el mundo están invirtiendo miles de millones de dólares en investigación y desarrollo cuánticos. Se ha demostrado la distribución de claves cuánticas basadas en satélites para el cifrado, lo que sienta las bases para una posible red de comunicación global basada en seguridad cuántica. IBM, Google, Microsoft, Amazon y otras empresas están invirtiendo fuertemente en el desarrollo de hardware y software de computación cuántica a gran escala. Nadie ha llegado todavía. Si bien las computadoras cuánticas a pequeña escala están operando hoy en día, un obstáculo importante para escalar la tecnología es la cuestión de lidiar con los errores. En comparación 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 deben protegerse cuidadosamente 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 términos de energía y 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 el desarrollo de estrategias para abordar tres áreas principales:
Planificación de la seguridad cuántica: los protocolos de cifrado de datos actuales son vulnerables no solo a las futuras computadoras cuánticas, sino también a las computadoras clásicas 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 apoyo 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.
Identificación de casos de uso: nadie podría haber predicho las innumerables formas en que las computadoras clásicas impactan en todos los aspectos de nuestras vidas. Predecir aplicaciones cuánticas es igualmente desafiante. Es por eso que, para aprovechar al máximo 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 actualmente disponibles o para la futura computación cuántica escalable. La experiencia y la formación interdisciplinarias serán fundamentales para crear y hacer crecer la tienda de aplicaciones cuánticas.
Pensar a través del diseño responsable: ¿Quién desarrollará y tendrá acceso a la tecnología cuántica y cómo se relacionarán los usuarios con ella? El impacto de la IA y la cadena de bloques ha demostrado la necesidad de considerar las implicaciones sociales, éticas y medioambientales de las nuevas tecnologías. Son los primeros días de la industria cuántica. Eso brinda una oportunidad única para incorporar prácticas inclusivas desde el principio y construir una hoja de ruta responsable y sostenible para la computación cuántica.
El rápido crecimiento en el sector de la tecnología cuántica durante los últimos cinco años ha sido emocionante. Pero el futuro sigue siendo impredecible. Afortunadamente, 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 permanecen indeterminados, pero juntos están perfectamente sincronizados, o ambos qubits son 0 o ambos son 1. Esta combinación da certeza conjunta e impredecibilidad individual: un fenómeno llamado entrelazamiento – es un combustible poderoso que impulsa muchos algoritmos de computación cuántica -. Quizás también contenga una lección sobre cómo construir una industria cuántica. Al planificar de manera responsable y al mismo tiempo aceptar la incertidumbre futura, las empresas pueden mejorar sus probabilidades de estar preparadas para el futuro cuántico”.
Interesante y enriquecedora información. Me queda claro que este tema es para muchos difícil de comprender. Parece que hablamos de intangibilidad únicamente, pero lo cierto es que hablamos de nuestra realidad. La era cuántica ya está aquí.
Artículo por: Shohini Ghose; es física cuántica y profesora de física e informática en la Universidad Wilfrid Laurier. Es la presidenta de la Asociación Canadiense de Físicas, miembro principal de TED y directora fundadora del Centro Laurier para Mujeres en la Ciencia. – [Archivo digital]. Recuperado de: https://hbr.org/2020/09/are-you-ready-for-the-quantum-computing-revolution
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