Se acerca la computación cuántica. ¿Qué puede hacer?

La tecnología cuántica se acerca a la corriente principal. Goldman Sachs anunciado recientemente que podrían introducir algoritmos cuánticos para fijar el precio de los instrumentos financieros en tan solo cinco años. Honeywell anticipa que la cuántica formará una industria de 1 billón de dólares en las próximas décadas. Pero, ¿por qué firmas como Goldman dan este salto, especialmente teniendo en cuenta que es posible que falten años para los ordenadores cuánticos comerciales?

Para entender lo que sucede, es útil dar un paso atrás y examinar qué es exactamente lo que hacen los ordenadores.

Empecemos con la tecnología digital actual. En esencia, el ordenador digital es una máquina aritmética. Hizo que hacer cálculos matemáticos fuera barato y su impacto en la sociedad ha sido inmenso. Los avances en el hardware y el software han hecho posible la aplicación de todo tipo de informática a productos y servicios. Los coches, los lavavajillas y las calderas actuales tienen algún tipo de ordenador integrado, y eso es incluso antes de que lleguemos a los teléfonos inteligentes e Internet. Sin ordenadores nunca habríamos llegado a la Luna ni habríamos puesto satélites en órbita.

Estos ordenadores utilizan señales binarias (los famosos 1 y 0 del código) que se miden en «bits» o bytes. Cuanto más complicado sea el código, más potencia de procesamiento se necesitará y más tiempo durará el procesamiento. Lo que esto significa es que, a pesar de todos sus avances (desde coches autónomos hasta derrotar a grandes maestros en Chess and Go), quedan tareas con las que los dispositivos de computación tradicionales tienen dificultades, incluso cuando las tareas están dispersas en millones de máquinas.

Un problema particular con el que tienen problemas es una categoría de cálculo llamada combinatoria. Estos cálculos implican encontrar una organización de elementos que optimice algún objetivo. A medida que aumenta el número de artículos, el número de posibles arreglos crece exponencialmente. Para encontrar la mejor disposición, los ordenadores digitales actuales básicamente tienen que recorrer cada permutación para encontrar un resultado y, a continuación, identificar cuál es la que mejor logra el objetivo. En muchos casos, esto puede requerir una enorme cantidad de cálculos (piense en descifrar contraseñas, por ejemplo). El desafío de los cálculos combinatorios, como veremos en un minuto, se aplica a muchos campos importantes, desde las finanzas hasta los productos farmacéuticos. También es un obstáculo fundamental en la evolución de la IA.

Y aquí es donde entran los ordenadores cuánticos. Así como los ordenadores clásicos reducían el coste de la aritmética, la cuántica presenta una reducción de costes similar a la del cálculo de problemas combinatorios abrumadores.

El valor de la cuántica

Los ordenadores cuánticos (y el software cuántico) se basan en un modelo completamente diferente de cómo funciona el mundo. En la física clásica, un objeto existe en un estado bien definido. En el mundo de la mecánica cuántica, los objetos solo aparecen en un estado bien definido después de observarlos. Antes de nuestra observación, los estados de dos objetos y la forma en que se relacionan son cuestiones de probabilidad. Desde una perspectiva informática, esto significa que los datos se registran y almacenan de una manera diferente: mediante cúbits de información no binarios en lugar de bits binarios, lo que refleja la multiplicidad de estados del mundo cuántico. Esta multiplicidad puede permitir un cálculo más rápido y económico de la aritmética combinatoria.

Si eso suena alucinante, es porque lo es. Incluso los físicos de partículas se esfuerzan por entender la mecánica cuántica y las numerosas propiedades extraordinarias del mundo subatómico que describe, y este no es el lugar para intentar una explicación completa. Pero lo que sí podemos decir es que la mecánica cuántica explica mejor muchos aspectos del mundo natural que la física clásica, y se adapta a casi todas las teorías que la física clásica ha elaborado.

Quantum se traduce, en el mundo de la informática comercial, en máquinas y software que pueden, en principio, hacer muchas de las cosas que los ordenadores digitales clásicos pueden hacer y, además, hacer una gran cosa que los ordenadores clásicos no pueden: realizar cálculos combinatorios rápidamente. Como describimos en nuestro artículo, Aplicaciones comerciales de la computación cuántica, eso va a ser muy importante en algunos dominios importantes. En algunos casos, ya se sabe que la importancia de la combinatoria es fundamental para el dominio.

• Ingeniería química y biológica. La ingeniería química y biológica implica el descubrimiento y la manipulación de moléculas. Hacerlo implica el movimiento y la interacción de las partículas subatómicas. En otras palabras, se trata de la mecánica cuántica. La simulación de la mecánica cuántica fue una motivación clave en La propuesta inicial de Richard Feynman para construir un ordenador cuántico. A medida que las moléculas se hacen más complejas, el número de configuraciones posibles crece exponencialmente. Se convierte en un cálculo combinatorio, adecuado para un ordenador cuántico. Por ejemplo, los ordenadores cuánticos programables ya han demostrado simulaciones exitosas de reacciones químicas simples, lo que ha allanado el camino para simulaciones químicas cada vez más complejas en un futuro próximo. Con la creciente viabilidad de las simulaciones cuánticas, que ayudan a predecir las propiedades de las nuevas moléculas, los ingenieros podrán considerar configuraciones moleculares que, de otro modo, serían difíciles de modelar. Esta habilidad significa que los ordenadores cuánticos desempeñarán un papel importante a la hora de acelerar los esfuerzos actuales en el descubrimiento de materiales y el desarrollo de fármacos.
• Ciberseguridad. La combinatoria ha sido fundamental en el cifrado durante más de mil años. Los 8 de Al-Khalil th siglo Libro de mensajes criptográficos analizó las permutaciones y combinaciones de palabras. El cifrado actual sigue basándose en la combinatoria, lo que hace hincapié en la suposición de que los cálculos combinatorios son esencialmente ingestionables. Sin embargo, con la computación cuántica, descifrar el cifrado es mucho más fácil, lo que representa una amenaza para la seguridad de los datos. Está creciendo un nuevo sector que ayuda a las empresas a prepararse para las próximas vulnerabilidades en su ciberseguridad. 

A medida que más personas centran su atención en el potencial de la computación cuántica, están surgiendo aplicaciones que van más allá de la simulación cuántica y el cifrado:

• Inteligencia artificial. La computación cuántica podría abrir nuevas oportunidades en la inteligencia artificial, que a menudo implica el procesamiento combinatorio de grandes cantidades de datos para poder hacer mejores predicciones y decisiones (piense en el reconocimiento facial o la detección de fraudes). Un campo de investigación en crecimiento en aprendizaje automático cuántico identifica las formas en que los algoritmos cuánticos pueden permitir una IA más rápida. Las limitaciones actuales de la tecnología y el software hacen que la inteligencia general artificial cuántica sea una posibilidad bastante remota, pero no cabe duda de que convierte a las máquinas pensantes en algo más que un tema de ciencia ficción.
• Servicios financieros. Las finanzas fueron uno de los primeros dominios en adoptar el Big Data. Y gran parte de la ciencia detrás de la fijación de precios de activos complejos, como las opciones sobre acciones, implica el cálculo combinatorio. Cuando Goldman Sachs, por ejemplo, cotiza los derivados, aplica un cálculo muy intensivo en computación conocido como simulación de Montecarlo, que hace proyecciones basadas en movimientos simulados del mercado. La velocidad de cálculo ha sido durante mucho tiempo una fuente de ventajas en los mercados financieros (donde los fondos de cobertura compiten por conseguir ventajas en milisegundos a la hora de obtener información sobre precios). Los algoritmos cuánticos pueden aumentar la velocidad de un conjunto importante de cálculos financieros.
• Fabricación compleja. Los ordenadores cuánticos se pueden utilizar para tomar grandes conjuntos de datos de fabricación sobre fallos operativos y traducirlos en desafíos combinatorios que, cuando se combinan con un algoritmo de inspiración cuántica, pueden identificar qué parte de un complejo proceso de fabricación contribuyó a los incidentes de fallo del producto. Para productos como los microchips, en los que este proceso de producción puede tener miles de pasos, la cuántica puede ayudar a reducir los costosos fallos.

La oportunidad de que la computación cuántica resuelva problemas de combinatoria a gran escala de forma más rápida y económica ha fomentado la inversión de miles de millones de dólares en los últimos años. La mayor oportunidad puede ser encontrar más aplicaciones nuevas que se beneficien de las soluciones que ofrece la cuántica. Como profesor y empresario Alan Aspuru-Guzik dijo, hay «un papel para la imaginación, la intuición y la aventura». Tal vez no se trata de cuántos cúbits tenemos, sino de cuántos hackers tenemos».