Crece la competencia en la computación cuántica

Las computadoras han cambiado radicalmente la sociedad. Poco después del final de la Segunda Guerra Mundial, los científicos usaban computadoras para resolver todo tipo de problemas. El progreso fue increíblemente rápido. Sin embargo, a pesar de todo ese progreso, algunos problemas siguen siendo realmente difíciles de resolver. No importa cuán buenas sean las computadoras, los desafíos como factorizar grandes cantidades u optimizar las rutas de mensajería siguen siendo difíciles.

Pero los bits no son la única forma de calcular. Estamos en la cúspide de una nueva era de la informática, con Google, IBM y otras compañías tecnológicas que utilizan una teoría creada por Einstein para construir máquinas capaces de resolver tareas aparentemente imposibles. La mecánica cuántica, las reglas que rigen el mundo de los átomos y las moléculas, se puede usar para hacer cálculos. Y esos cálculos tendrán la capacidad de ayudarnos a resolver problemas aún más complejos.

A pesar de darnos la ola más espectacular de innovación tecnológica en la historia de la humanidad, hay ciertos problemas de cómputo que la revolución digital parece no poder resolver. Algunos de estos problemas podrían estar reteniendo avances científicos clave. Aunque las computadoras convencionales se han duplicado en potencia y velocidad de procesamiento casi dos años durante décadas, todavía no parecen estar más cerca de resolver muchos problemas complejos.

¿Por qué? Porque las computadoras digitales y convencionales actuales se basan en un modelo de computación clásico y limitado. A largo plazo, para resolver de manera eficiente los problemas informáticos más persistentes del mundo, tendremos que recurrir a una máquina completamente nueva y más capaz: la computadora cuántica.

La diferencia entre una computadora clásica y una computadora cuántica no es como la diferencia entre un carro viejo y uno nuevo. Más bien, es como la diferencia entre un caballo y un ave: mientras uno puede correr, el otro puede volar. Las computadoras clásicas y las computadoras cuánticas son realmente muy diferentes.

¿Cómo funciona? Una computadora clásica funciona a través del sistema binario (o es 0, o es 1); el hardware de una computadora cuántica funciona con ambos al mismo tiempo, lo que le permite estar en dos estados simultaneamente.

Gigantes como Google y Microsoft vienen invirtiendo grandes cantidades de dinero en lo que será la computadora del futuro, aquella que permitirá realizar operaciones de forma simultánea y navegar a una velocidad inimaginable. “La computación cuántica nos permitirá almacenar más información en espacios más pequeños. El despliegue de esta tecnología será un momento clave en la revolución publicitaria bajando aún más los costos de la industria”, afirma el CEO de Google.

En Lampadia nos parece interesante difundir este tipo de información que muestra los impactos positivos para la humanidad que se pueden generar con las nuevas tecnologías. Anteriormente compartimos el ejemplo de IBM: Impactos positivos de nuevas tecnologías.

Líneas abajo compartimos un importante informe de The Economist, al respecto:

Arrancó la carrera para dominar la computación cuántica

Pero esta tecnología puede pasar un invierno antes de entrar al verano

The Economist
18 de agosto, 2018
Traducido y glosado por Lampadia

Probablemente, la computació  siempre estuvo destinada a ser electrónica. Sin embargo, incluso en la década de 1930, esto no estaba del todo claro. A principios de esa década, Vannevar Bush, un ingeniero estadounidense, construyó una computadora mecánica con engranajes, poleas y ejes girados por motores eléctricos. Su “Analizador Diferencial”, que ocupaba el espacio de una habitación pequeña, podía resolver ecuaciones con hasta 18 variables.

La computación cuántica, que tiene la promesa de superar incluso a los supercomputadores más rápidos del mundo, al menos para ciertos tipos de problemas, se encuentra ahora en una etapa similar de desarrollo. Los prototipos funcionan, pero no está claro qué forma tomarán las máquinas. Una gran pregunta, por ejemplo, es si los “qubits”, que son el equivalente cuántico de los transistores, vivirán en pequeños bucles de alambre enfriado a temperaturas ultrabajas, serán iones atrapados en campos magnéticos o dependerán de alguna otra tecnología.

Incluso mientras las computadoras cuánticas mejoran lentamente, está surgiendo un ecosistema de nuevas empresas de software. Las grandes corporaciones, los capitalistas de riesgo y los gobiernos nacionales están invirtiendo, proporcionando el dinero para un número creciente de nuevas empresas. “The Quantum Computing Report”, un sitio web, recientemente enumeró más de 70 empresas, muchas de las cuales buscan escribir software para las nuevas computadoras cuánticas (más de un tercio de ellas tienen nombres que comienzan con Q).

Esta incipiente industria está viendo el comienzo de una batalla entre gigantes tecnológicos como Google, IBM y Microsoft, que compiten entre sí para atraer a los desarrolladores a sus respectivas plataformas cuánticas. Algunos expertos ya han comenzado a advertir que el sector se está adelantando a un futuro incierto, prediciendo un “invierno cuántico” provocado por una promesa incumplida.

Sería fácil descartar la emoción sobre la computación cuántica como el inicio de otra burbuja creada por la exageración. Pero esta tecnología tiene un enorme potencial, por lo que debe tomarse en serio.

• Las computadoras clásicas piensan en “bits”, que pueden tener un valor de 0 o 1.
• Los Qubits tienen la capacidad para la “superposición”, lo que significa que pueden estar en ambos “estados” al mismo tiempo.
• Otro concepto cuántico clave es la ‘alambrada’ (entanglement). Los Qubits se pueden conectar, de modo que operar en uno tiene un impacto en los ‘alambrados’, lo que permite que su potencia de procesamiento se aproveche en paralelo.

La primera característica hace que las computadoras tengan una gran memoria. La superposición significa que la capacidad de almacenar datos se duplica con cada qubit. Una computadora de 64 qubits tiene suficiente memoria para 18 quintillones de números. La alambrada permite operaciones a la velocidad del rayo. Los Qubits se configuran según un algoritmo adecuado para un problema elegido; el sistema aplica las reglas de la mecánica cuántica hasta que alcanza un estado que representa la respuesta.

Alcanzar este punto será diabólicamente difícil. Aunque los investigadores han dominado el arte de establecer qubits, conseguir que funcionen sin problemas sigue siendo un problema sin resolver. Dado que cualquier influencia externa, como la vibración o el calor, puede hacer que estas delicadas bestias pierdan su mundo de binomios de 1 y 0s, tienen que mantenerse en completo aislamiento (de ahí las temperaturas ultrabajas, que ralentiza el movimiento de los átomos).

Los errores también necesitan ser detectados y corregidos con la ayuda de muchos otros qubits. Dado que grandes cantidades de qubits parecen inalcanzables durante al menos una década, la cuestión de cómo las computadoras cuánticas podrían ponerse en práctica no había estado en la mente de los investigadores hasta hace poco. Esto comenzó a cambiar hace un par de años, cuando los fabricantes de hardware lograron construir máquinas con más de un par de qubits.

Saltando la Q

IBM lideró el camino en 2016 con una computadora de 5 qubits y luego una de 20 qubits en 2017 (en la foto de arriba). Su última “unidad de procesamiento cuántico” (QPU), que se anunció en noviembre pasado, tiene 50, un qubit más que Intel. Ambos fueron superados en marzo por Bristlecone de Google, con 72 qubits. Rigetti, una startup, dijo recientemente que está construyendo un sistema de 128 qubits (aunque más no significa necesariamente mejor: algunos qubits son más propensos a errores que otros y no existen puntos de referencia comúnmente aceptados para medir su calidad). Mientras tanto, las computadoras clásicas han mejorado en la simulación de las cuánticas (de hasta alrededor de 50 qubits), por lo que es más fácil probar algoritmos y aplicaciones.

Este ritmo de desarrollo ganó recientemente la bendición de una luminaria del campo cuántico, John Preskill del Instituto de Tecnología de California. “Las computadoras cuánticas con 50-100 qubits pueden realizar tareas que superan las capacidades de las computadoras digitales clásicas de hoy en día”, escribió en un artículo, llamando a tales dispositivos “quantums ruidosos de escala intermedia” (o NISQ, se les dice “ruidosos” porque los qubits seguirán siendo propensos a errores por un tiempo).

Las grandes firmas están tratando de descubrir lo que la informática cuántica podría significar para ellos, dice Michael Brett de QxBranch, una startup. Los gigantes químicos como BASF y DowDuPont quieren entender si la tecnología podría ayudarlos a “calcular” las estructuras de nuevos materiales útiles, como los catalizadores para reducir la energía utilizada para producir fertilizantes. Los bancos, incluidos Barclays y JPMorgan Chase, esperan usarlos para tareas tales como el ajuste del riesgo de la cartera. Los fabricantes de juegos también están interesados ​​en utilizar la computación cuántica para hacer que los videojuegos se comporten más como el mundo real.

Dado que el talento cuántico es muy escaso, las empresas suelen contratar la ayuda de nuevas empresas, que desempeñan el papel de consultoras. Esto aporta dinero para las nuevas empresas y también les permite adquirir la propiedad intelectual para desarrollar software real más adelante.

Cosecha cuántica

El campo ha sido bien financiado por capitalistas de riesgo, con entradas de capital que llegaron a casi US$ 250 millones el año pasado. Las empresas tecnológicas también están poniendo recursos. IBM ha estado trabajando en el área por más tiempo. Arvind Krishna, director global de su división de investigación, compara sus esfuerzos con la forma en que IBM creó un mercado para computadoras mainframe en la década de 1960. Comenzó la investigación cuántica en la década de 1970; en 2016 colocó su computadora cuántica de 5 qubits online para que otros pudieran usarla y comenzar a escribir programas (algo que llama Q Experience). Desde entonces, ha diseñado herramientas para programadores, ha ayudado al MIT a desarrollar clases cuánticas en línea y ha creado una red de empresas y otras universidades para explorar aplicaciones prácticas.

La competencia no se queda atrás. El mes pasado, Google lanzó Cirq, un kit de herramientas de software. Rigetti ha puesto en línea una máquina con una QPU de 16 qubits. IonQ, otra startup de hardware, ha construido una máquina de iones que es más fácil de programar. Y luego está Microsoft. Al igual que IBM, quiere construir un “sistema de extremo a extremo”, en palabras de Todd Holmdahl, jefe de su área cuántica. De nuevo, como IBM, ofrece un “kit de desarrollo cuántico” e incluso un lenguaje de programación especial llamado Q#. Pero cualquier código escrito en él tendrá que ejecutarse en un software de simulación durante años. La computadora cuántica de Microsoft todavía es un trabajo en progreso, ya que la firma está apostando por un qubit “topológico” que no ha sido probado, pero que podría mucho menos propenso a errores.

IBM, Google y Microsoft están gastando mucho para atraer desarrolladores y aplicaciones a sus respectivas plataformas. IBM enfatiza el uso intensivo de Q Experience: ahora cuenta con más de 90,000 usuarios, que han ejecutado 5 millones de experimentos y publicado 110 artículos. Hartmut Neven, quien encabeza los cuantiosos esfuerzos en Google, dice que su kit de herramientas está dirigido a “programadores profesionales”. Insiste en que su equipo pronto alcanzará la “supremacía cuántica”, lo que significa que demostrará que su computadora cuántica es capaz de resolver un problema más rápido que uno clásico (los críticos de una hazaña ya lo llaman un truco, porque es poco probable que sea relevante en la práctica). Microsoft, por su parte, ha integrado estrechamente sus herramientas cuánticas con otro software de programación para que sea más fácil para los desarrolladores clásicos usarlas.

Cualquiera que sea el resultado, ninguno de los equipos terminará en los centros de datos de otras empresas, y mucho menos en los escritorios de las personas, en el futuro cercano. En cambio, las computadoras cuánticas encontrarán un hogar en el cómputo de nubes operadas por Google, IBM y Microsoft (y también por Amazon y Alibaba, que tienen programas cuánticos más pequeños). Dado que las máquinas serán buenas solo en tareas muy específicas durante muchos años, las firmas pretenden utilizarlas principalmente como “aceleradores”, que se harán cargo cuando se necesiten específicamente, al igual que las computadoras con chips súper rápidos de inteligencia artificial (IA) hoy.

Aparte de estas empresas, solo las agencias gubernamentales probablemente tengan sus propias computadoras cuánticas en las próximas décadas. Las fuerzas armadas y los servicios de inteligencia, especialmente los de EEUU y China, han financiado durante mucho tiempo el campo y es probable que continúen haciéndolo. Les preocupa que las máquinas de computación cuántica algún día puedan descifrar la mejor encriptación del mundo, lo que podría darle al país que llega primero la capacidad de descodificar comunicaciones secretas o entrar a bancos.

Al igual que en IA, China tiene la intención de liderar el mundo en tecnología cuántica. El país anunció planes para gastar más de US$ 10,000 millones para construir un laboratorio nacional de ciencia cuántica, que se abrirá en 2020. Esto ha desencadenado esfuerzos en Washington, DC, para crear una “Iniciativa Cuántica Nacional”, que algunos observadores han comparado con el programa nuclear de Estados Unidos de la década de 1940. La Unión Europea lanzó una iniciativa de investigación cuántica en 2016 y la respaldó con más de US$ 1,000 millones.

El flujo de dinero del gobierno ya es tal que algunos capitalistas de riesgo se quejan de que se los ha excluido. Pero la creciente excitación acerca de todas las cosas cuánticas también ha alimentado los temores de que el campo se está sobrevalorando y que, al igual que la IA en los años 70 y 80, después de que no cumplió sus promesas, se dirige hacia un “invierno”; un largo período de financiación e interés reducidos.

Algunas nuevas empresas están seguras de que habrá un retroceso en unos pocos años y están cubriendo sus apuestas. Michael Marthaler, cofundador de Heisenberg Quantum Simulations, espera que su empresa esté lo suficientemente establecida como para poder “hibernar”. Otros observadores de la escena de la computación cuántica advierten que gran parte del software escrito hoy puede quedar obsoleto si la tecnología cuántica toma un giro inesperado.

Pero incluso si la primavera de Quantum se convierte en invierno, las probabilidades de que llegue el verano son altas. Eso ha sucedido con bastante frecuencia en el pasado. Para utilizar un concepto desarrollado por Carlota Pérez, una historiadora económica, las tecnologías revolucionarias siempre pasan por una “edad dorada”, a menudo acompañada de una burbuja de inversión que aparece, antes de entrar en una “edad de oro” de despliegue generalizado. Hay pocas razones para creer que la computación cuántica se desvíe hacia ese camino. Lampadia