Computación cuántica: qué desafíos enfrenta antes de alcanzar la revolución tecnológica

La computación cuántica resulta un área tan poderosa que podría cambiar desde la investigación científica y tecnológica hasta el desarrollo de aplicaciones en diferentes industrias. ¿De qué se trata esta innovación, cuál es su presente y su futuro y por qué supondría un salto tecnológico con avances impensables? Para saber más, el DC conversó de todos estos temas con Alejandro Díaz-Caro, investigador del ICC especializado en esta área y profesor del DC y de la Universidad Nacional de Quilmes (UNQ).

Promete cambiarlo todo, convirtiéndose en un dinamizador clave para la innovación y el crecimiento de la humanidad. Pocas palabras han sido más utilizadas en la época moderna sin que nadie sepa exactamente qué significan como “cuántica”: pero en este caso la “computación cuántica” nos da la oportunidad de entender un poco más.

Ahora bien, ¿de qué se trata la denominada “computación cuántica”? A diferencia de la computación clásica, que trabaja con bits y representa la información solo en estados cero o uno (encendido o apagado),  la computación cuántica, trabaja también con la superposición de ambos estados y utiliza las propiedades peculiares de átomos y partículas subatómicas para procesar datos en cantidades imposibles de manejar por la computación clásica. Los bits tal como se conocían se transforman en qbits, la unidad básica de información en este nuevo mundo.

Una computadora cuántica aprovecha algunas de las propiedades de la mecánica cuántica para lograr grandes aumentos de potencia de procesamiento, con un poder de cálculo extremadamente superior. Las máquinas cuánticas prometen superar incluso a las supercomputadoras tradicionales más poderosas, un hito conocido como ventaja cuántica (el punto en el que un ordenador cuántico puede completar un cálculo matemático casi imposible en un tiempo razonable, mientras que un ordenador clásico no puede lograrlo).

Aunque usar una máquina clásica seguirá siendo la solución más fácil y económica para resolver la mayoría de los problemas, los ordenadores cuánticos prometen impulsar impresionantes avances en varios campos, desde la ciencia de los materiales hasta la investigación farmacéutica, la simulación y la ciberseguridad.

De hecho una de las aplicaciones más prometedoras de las computadoras cuánticas sería poder simular el comportamiento de la materia hasta el nivel molecular. Se trata de una innovación que algunas empresas automotrices están implementando para simular la composición química de las baterías de los vehículos eléctricos, de modo de encontrar nuevas formas de mejorar su rendimiento. Y que las compañías farmacéuticas están aprovechando para analizar y comparar compuestos que podrían llevar a la creación de nuevos medicamentos.

No obstante, el mercado de la computación cuántica recién se inicia. Aún es un mercado pequeño con un potencial de crecimiento acelerado: la consultora IDC estima que los apenas US$ 412 millones invertidos en esta área en el año 2020 se convertirán en US$ 8600 millones para 2027.

Avances claves en tiempo presente

No quedan dudas de que la computación cuántica avanza sin detenimiento, aunque sus desarrollos desde el punto de vista de la construcción de una computadora concreta se encuentran en una fase experimental. “Los avances son en diferentes esferas, en el caso del hardware existe una carrera por alcanzar esta supremacía o ventaja cuántica, no sólo de ser la primera empresa que logre desarrollar la computadora sino que pueda resolver un problema impensable para una computadora clásica y lograrlo en un lapso de tiempo muy corto”, puntualiza Alejandro Díaz-Caro, investigador del Instituto de Ciencias de la Computación (ICC), en el grupo de Lógica y Reescritura para Lenguajes de Programación (LoReL) y en el grupo Quantum Information, Computation and Communication (QuICC). 

Esas empresas son principalmente IBM y Google, pero además de los gigantes estadounidenses, existen empresas y laboratorios de investigación principalmente de China y Europa que también se encuentran en carrera.

“En general los grandes anuncios que hacen quienes desarrollan este hardware, es que lograron desarrollar una computadora de 20, 30 o 50 qbits, pero solo se pueden usar 16 ya que el resto queda para corrección de errores. Entonces realmente falta muchísimo. Por otra parte, está el proyecto de IBM de conectar varias de estas computadoras para hacer computación paralela, pero aún no hay algoritmos cuánticos que se puedan correr en computadoras paralelas, simplemente porque no podemos duplicar qbits, entonces el problema es muy complejo y aún se está estudiando”, complementa Díaz-Caro.

Por otro lado, el investigador aclara que existen diversos avances concretos del lado de la óptica cuántica, que son avances más realistas y menos costosos de desarrollar porque solo se necesita una tecnología de pocos lásers y fotones, para estudiar partículas en superposición. Pero, al igual que en el desarrollo de las computadoras cuánticas, la cantidad de qbits que se pueden manipular no es tan grande.

“Después hay otra esfera de avances que tiene que ver con el entendimiento de lo que se puede hacer con la computación cuántica, ya que los investigadores que trabajan en algoritmos cuánticos están todo el tiempo tratando de encontrar tareas que se puedan resolver mucho mejor con la computación cuántica que con la clásica”, explica Díaz-Caro, quien además es profesor en la UNQ.

“Al mismo tiempo, quienes nos dedicamos a los lenguajes de programación, como el grupo que coordino en el ICC, podemos afirmar que en los últimos cinco años hubo avances significativos en el tema de Control Cuántico, que tiene que ver con cómo los qbits ejecutan un programa de acuerdo al estado en que estén, pero al estar en superposición podrían ejecutar programas en superposición. Esto implica pensar en cómo desarrollar un lenguaje de programación que pueda tener ese control cuántico y la gracia de un lenguaje de programación es que cuando uno tiene un nuevo lenguaje para expresar algo, se te pueden ocurrir nuevas posibilidades para expresar”, describe el investigador del ICC.

Por último, Díaz-Caro remarca que incluso si la computadora cuántica no se pudiera desarrollar, sigue resultando útil para estudiar diversos problemas complejos de la física. Porque la matemática que surgió asociada a la cuántica resultó extremadamente complicada (en relación a la matemática tradicional de la física newtoniana). Entonces la computación cuántica brindó herramientas de ciencias de la computación para abordar esa matemática.

Más allá de esto, el investigador está convencido de que -de acuerdo a los avances en ciencia y tecnología y la inversión de los distintos países- muy pronto la computadora cuántica será una realidad.

Desafíos de cara al futuro

Dr. Alejandro Díaz-Caro

A modo de reflexión final, el investigador Díaz-Caro comenta cuáles serían las particularidades y desafíos de la computación cuántica en un futuro próximo. “Eventualmente la computadora cuántica llegará en unos años, no como una computadora de escritorio, sino como grandes computadoras que ocupen todo un laboratorio, como en su momento fue Clementina. Cuando realmente aparezca esa ventaja cuántica, de problemas que no puedan resolverse en un tiempo razonable con una computadora clásica pero sí con una computadora cuántica, entonces se va a dar el salto para que científicos de diversas disciplinas (como biología, física, meteorología, ciencia de los materiales, etc.) puedan abordar sus problemas específicos”. E imagina cómo funcionaría en la práctica, “inicialmente las grandes empresas como IBM, Google o Amazon, nos van a vender el servicio de grandes computadoras cuánticas para que podamos acceder a la nube y usar una parte de ese cómputo para correr nuestros problemas. De hecho hoy esto ya funciona con computadoras de pocos qbits, lo que sirve para aprender a codificar este tipo de problemas. Será así, hasta el momento en que como país podamos invertir para adquirir una computadora cuántica, aún falta mucho tiempo para ello”.  

Sin dudas, la computación está a punto de dar el salto cuántico. Aún así, muchos de nosotros seguiremos haciéndonos preguntas sobre qué significa realmente esto y qué transformaciones traerá en los próximos años.

La 21va conferencia internacional “Quantum Physics and Logic”, por primera vez en Latinoamérica.

Del 15 al 19 de julio de 224 se llevará a cabo la 21° Conferencia Internacional “Quantum Physics and Logic” (QPL 2024), en el Instituto de Ciencias de la Computación, Buenos Aires, Argentina. Quantum Physics and Logic es una conferencia anual que reúne a investigadores académicos y de la industria que trabajan en los fundamentos matemáticos de la computación cuántica, la física cuántica y áreas relacionadas. El enfoque principal se centra en el uso de estructuras algebraicas y categóricas, lenguajes formales, sistemas de tipos, métodos semánticos, así como otras técnicas matemáticas e informáticas aplicables al estudio de sistemas físicos, procesos físicos y su composición. También son bienvenidos los trabajos que apliquen técnicas y estructuras de inspiración cuántica a otros campos, como la lingüística, la inteligencia artificial y la causalidad.

Más información en el sitio web: https://qpl2024.dc.uba.ar/