Computación cuántica: presente y futuro

29 septiembre
Juan Pablo Federico, developer en DataArt
Computación cuántica: presente y futuro

Según la famosa paradoja de Schrödinger (1935), si colocamos un gato cuántico en una cámara cerrada, invisible al mundo exterior, con una trampa mortal cuya probabilidad de activación es del 50%, el animal está vivo y muerto al mismo tiempo. Luego, si llevamos a cabo una observación abriendo la puerta del espacio confinado para verificar el estado del experimento, uno de los dos estados posibles se asigna finalmente. Sin embargo, el gato permanecería vivo y muerto en el mundo cuántico. Esto significa que somos nosotros los que, al interactuar con el medio ambiente, invalidamos las leyes cuánticas que son únicamente efectivas en una escala subatómica y en partículas aisladas... ¡¿QUÉ COSA?!

Si bien lo anterior puede parecerte un chiste de mal gusto si nunca habías leído sobre este tema, te aseguro que esta paradoja marca la premisa fundamental sobre la cual se estudia el avance del procesamiento cuántico hoy en día.

La magia detrás de la computación cuántica reside en los conceptos de la mecánica cuántica que pueden ser aplicados para lograr una capacidad de procesamiento mucho mayor. Los dos conceptos principales que intervienen son la superposición de estados y el entrelazamiento cuántico.

Para entender un poco mejor estos conceptos hay que tener presente cómo funciona una computadora tradicional: la unidad básica de información es el bit, el cual tiene solamente dos estados posibles (1 o 0) y con los que se pueden realizar diversas operaciones lógicas (AND, NOT, OR, XOR, etc.). Juntando n bits se pueden representar números y realizar operaciones sobre esos números, pero existe una limitante: sólo se pueden representar hasta 2^n estados distintos y, si se quieren cambiar x bits, se deben realizar al menos x operaciones sobre ellos.

Con la superposición se pueden almacenar mucho más que sólo 2^n estados con n bits cuánticos (qubits). De igual manera, con el entrelazamiento se logran mantener fijas las relaciones entre qubits y las operaciones en uno de ellos afectan forzosamente al resto. Un qubit no vale sólo 1 o 0 como un bit normal, sino que puede ser un 1 en un 70% y un 0 en un 30%. El problema se presenta al querer "leerlo", dado a que -cuando hacemos esto- sólo podemos obtener 1 o 0 (como en la ya mencionada paradoja de Schrödinger).

Computación cuántica: presente y futuro

La computación cuántica en el presente

Actualmente muchas compañías invierten parte de su presupuesto en la expansión de este tipo de tecnologías, intentando mejorarlas gradualmente, es decir, aumentar la cantidad de qubits en los procesadores cuánticos que fabrican. Hasta el momento existen procesadores cuánticos de hasta 60 qubits que lograron realizar tareas en menos de tres minutos, algo que le hubiese costado 10.000 años de procesamiento a la actual supercomputadora más potente del mundo. Aun así, se planea que para el año 2023 se podrían crear procesadores de poco más de 1000 qubits, un hito realmente único.

Muchos denominan estos avances como la Segunda Revolución Cuántica, siendo la primera la que sentó las bases de la mecánica cuántica con una serie de estudios exhaustivos (pero no específicamente certeros) desde hace ya más de un siglo.

Otro aspecto importante a mencionar es la existencia de la computación cuántica en la nube, en donde cualquier persona del mundo puede enviar tareas para que se realicen en un procesador cuántico y devolver el resultado al instante, de manera que se fusionan diversos conceptos como el de cloud computing y la transmisión y conversión de información de sistemas clásicos a sistemas cuánticos, y viceversa.

Algunos ámbitos que estarán fuertemente relacionados con los avances de la computación cuántica

  • Inteligencia Artificial. Durante la segunda mitad del siglo XX se desarrollaron modelos teóricos en el campo de la IA que quedaron "estancados" en el tiempo debido a que no podían llevarse la práctica por la capacidad limitada de cómputo existente en ese momento. Ahora, la potencia de procesamiento aumentó (y sigue aumentando) enormemente, lo que permitió que se efectúen numerosos avances en esta área, incluso con aplicaciones beneficiosas en sectores como finanzas, marketing, medicina, logística, aviación, biometría, y demás. Aun así, continúa existiendo una limitación computacional cuando se habla de modelos excesivamente complejos para predecir y/o inferir determinados patrones con un alto porcentaje de efectividad.

Un claro ejemplo de esto es el de una partida de ajedrez: si bien se han creado robots que resultan invencibles cuando se enfrentan ante humanos, no existe un robot que elija la mejor jugada con un 100% de efectividad, debido al inmenso árbol de variables del juego (10^50 posiciones posibles). Con el avance de la computación cuántica, ya no parece utópico poder crear un robot que contemple todos los estados posibles del juego.

Además, el aumento exponencial de velocidad de procesamiento y combinaciones posibles que representa la computación cuántica, implica que se puedan encontrar soluciones a problemas que en la actualidad son imposibles de resolver porque requieren una capacidad de procesamiento inmensa, o interesantes hallazgos relacionados con el procesamiento del lenguaje natural. Asimismo, se puede dar una respuesta práctica a enunciados planteados solamente de manera teórica o incluso cuestiones que parecen salidas de una película de ciencia ficción.

  • Criptografía y ciberseguridad. En este punto hay que destacar la enorme ventaja de los qubits por sobre los bits respecto a la cantidad de combinaciones, a tal punto que una máquina cuántica con 300 qubits podría representar más valores que la cantidad de los átomos en el universo. Esto significa que podrían descifrarse claves encriptadas por "fuerza bruta" en un lapso de tiempo relativamente corto, cuyos algoritmos de encriptación tienen como principal fortaleza la dificultad de hacer ingeniería inversa utilizando números primos de Mersenne (RSA como principal ejemplo).

Actualmente, existe una comunidad dedicada a la creación y planteo de algoritmos post cuánticos, los cuales buscan estrategias para evitar que la excesiva capacidad de procesamiento logre vulnerar la seguridad. Es decir, existe una potencial amenaza a largo plazo en términos de seguridad informática que debe ser contemplada lo antes posible, intentando adaptar los sistemas de seguridad a este nuevo paradigma.

  • Matemáticas. Así como se mencionó anteriormente, el aumento de la potencia computacional puede hacer realidad y llevar a la práctica conceptos que eran concebidos meramente desde el plano teórico. Las posibilidades que propone este paradigma se limitan prácticamente a la imaginación de los matemáticos, ya que se pueden sobrepasar límites de cálculos insospechados e inimaginables durante toda la historia de la computación. Se podría, por ejemplo, conocer todos los decimales de Pi, descubrir la totalidad de números primos (en caso de que sean limitados; se desconoce hasta el momento), y muchos de los denominados "problemas del milenio", como el de P versus NP, que en resumen consiste en calcular el resultado de 70 factorial (70!), un número exorbitantemente grande.
  • Astronomía. La llegada del hombre a la Luna, un hecho icónico en la historia de la humanidad, se logró en parte gracias a la computación tradicional (incluso con una capacidad de cómputo mucho menor que la que se puede obtener hoy en día en cualquier procesador hogareño). Es interesante pensar hasta dónde podría llevarnos la computación cuántica, no sólo a nivel físico, sino descubriendo aún más profundamente regiones desconocidas del universo e inaccesibles por la falta de una tecnología con tal magnitud que lo posibilite.
  • Comunicación cuántica. Si bien ya se ha llevado a cabo con éxito la teletransportación cuántica a través del espacio, este concepto es quizá el más lejano de incorporar a nuestra realidad respecto a los mencionados anteriormente, pero no menos importante ni menos probable. Es altamente considerable que en un futuro se utilicen las propiedades de la mecánica cuántica y, más específicamente, de la computación cuántica para implementar redes cuánticas (comúnmente denominado "internet cuántico") como sistema alternativo de telecomunicaciones. La idea es conectar una serie de "nodos cuánticos" utilizados como repetidores, con el objetivo de llevar un mensaje desde un origen “A” a un destino “B” pasando por determinados nodos intermedios, similar a conceptos vigentes en los sistemas de telecomunicaciones actuales, pero brindando mayor velocidad y sobre todo seguridad en las comunicaciones. El gran desafío para implementar estas nuevas tecnologías recae en la necesidad de conocer más a profundidad las propiedades de la mecánica cuántica para poder alcanzar resultados deterministas durante cada transmisión de información.

El auge de la computación cuántica no significaría la desaparición de la computación tradicional

Por último, es importante destacar que las computadoras cuánticas se utilizarán en conjunto con las tradicionales, y no las reemplazarán (al menos en el mediano plazo) ya que cada una tiene sus particularidades.

Todo indica que las primeras etapas de inclusión de la tecnología cuántica en el mercado estarán enfocadas en la compatibilidad de la misma con la computación tradicional por una cuestión lógica: prácticamente la totalidad de la información almacenada y los sistemas implementados a nivel de software y hardware actualmente se apoyan sobre el paradigma tradicional. Lo que se espera en el corto plazo es la creación de 'Middlewares' o sistemas intermedios que faciliten el intercambio y conversión de datos entre bits cuánticos y clásicos. De este modo el procesamiento de la tarea se realiza mediante computadores cuánticos, el middleware traduce los resultados de qubits a bits y la información llega a los computadores tradicionales bajo una representación que pueden entender y manejar.

Con este tipo de arquitectura el computador tradicional no necesita conocer “lo que hay detrás” ni quién realiza el procesamiento; solamente debe enviar instrucciones u ordenes al procesador cuántico para que este ejecute las tareas correspondientes, y posteriormente esperar por los resultados representados en bits clásicos gracias al sistema intermedio. Este funcionamiento es similar al que existe actualmente en los computadores cuánticos accesibles desde la nube.