Cómo los investigadores están mapeando el futuro de la computación cuántica, utilizando la tecnología de hoy

Sriram Krishnamoorthy, científico informático del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico. (Foto PNNL)

Imagine un futuro en el que los nuevos medicamentos terapéuticos se diseñen mucho más rápido y a una fracción del costo que tienen hoy, gracias al campo en rápido desarrollo de la computación cuántica.

La transformación de la atención médica y la medicina personalizada sería tremenda, pero estos no son los únicos campos que esta nueva forma de computación podría revolucionar. Desde la criptografía hasta la optimización de la cadena de suministro y los avances en la física del estado sólido, la era venidera de las computadoras cuánticas podría generar cambios enormes, asumiendo que su potencial se puede realizar por completo.

Sin embargo, aún deben superarse muchos obstáculos antes de que todo esto pueda suceder. Ésta es una de las razones por las que el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico y Microsoft se han unido para promover este campo incipiente.

El desarrollador del lenguaje de programación Q #, Microsoft Quantum, anunció recientemente la creación de un puente intermedio que permitirá que Q # y otros lenguajes se utilicen para enviar instrucciones a diferentes plataformas de hardware cuántico. Esto incluye las simulaciones que se realizan en las poderosas supercomputadoras de PNNL, que se utilizan para probar los algoritmos cuánticos que algún día podrían ejecutarse en esas plataformas. Si bien aún faltan años para la computación cuántica escalable, estas simulaciones permiten diseñar y probar muchos de los enfoques que eventualmente se utilizarán.

«Tenemos una amplia experiencia en términos de programación paralela para supercomputadoras», dijo el científico informático de PNNL Sriram Krishnamoorthy. «La pregunta era, ¿cómo se utilizan estas supercomputadoras clásicas para comprender cómo se comportarían un algoritmo cuántico y las arquitecturas cuánticas mientras construimos estos sistemas?»

Esa es una pregunta importante dado que la computación clásica y cuántica son extremadamente diferentes entre sí. La computación cuántica no es la Computación clásica 2.0. Una computadora cuántica no es más una versión mejorada de una computadora clásica que una bombilla es una mejor versión de una vela. Si bien puede usar uno para simular el otro, esa simulación nunca será perfecta porque son tecnologías fundamentalmente diferentes.

La computación clásica se basa en bits, piezas de información que están apagadas o encendidas para representar un cero o uno. Pero un bit cuántico, o qubit, puede representar un cero o uno o cualquier proporción de esos dos valores al mismo tiempo. Esto hace posible realizar cálculos de una manera muy diferente.

Sin embargo, un qubit solo puede hacer esto mientras permanezca en un estado especial conocido como superposición. Esto, junto con otras características del comportamiento cuántico como el entrelazamiento, podría permitir que la computación cuántica responda a todo tipo de problemas complejos, muchos de los cuales son de naturaleza exponencial. Éstos son exactamente el tipo de problemas que las computadoras clásicas no pueden resolver fácilmente, si es que pueden resolverlos.

Por ejemplo, gran parte de la privacidad electrónica del mundo se basa en métodos de cifrado que se basan en números primos. Si bien es fácil multiplicar dos números primos, es extremadamente difícil revertir el proceso factorizando el producto de dos números primos. En algunos casos, una computadora clásica podría funcionar durante 10,000 años y aún no encontrar la solución. Una computadora cuántica, por otro lado, podría ser capaz de realizar el trabajo en segundos.

Eso no significa que la computación cuántica reemplazará todas las tareas realizadas por las computadoras clásicas. Esto incluye programar las propias computadoras cuánticas, que la propia naturaleza de los comportamientos cuánticos puede hacer que sea un gran desafío. Por ejemplo, el simple hecho de observar un qubit puede hacer que se descohere, haciendo que pierda su superposición y estados entrelazados.

Estos desafíos impulsan parte del trabajo que realiza el grupo Quantum de Microsoft Azure. Con la expectativa de que se necesitarán recursos de computación tanto clásica como cuántica para aplicaciones cuánticas a gran escala, Microsoft Quantum ha desarrollado un puente que llaman QIR, que significa «representación intermedia cuántica». La motivación detrás de QIR es crear una interfaz común en un punto de la pila de programación que evite interferir con los qubits. Hacer esto hace que la interfaz sea independiente del idioma y la plataforma, lo que permite que se usen juntos diferentes software y hardware.

“Para avanzar en el campo de la computación cuántica, necesitamos pensar más allá de cómo construir un sistema de extremo a extremo en particular”, dijo Bettina Heim, gerente senior de ingeniería de software de Microsoft Quantum, durante una presentación reciente. «Necesitamos pensar en cómo hacer crecer un ecosistema global que facilite el desarrollo y la experimentación con diferentes enfoques».

Debido a que estos son todavía días muy tempranos, piense en dónde estaba la computación clásica hace 75 años, muchos componentes fundamentales aún deben desarrollarse y refinarse en este ecosistema, incluidas las puertas cuánticas, los algoritmos y la corrección de errores. Aquí es donde entra en juego el simulador cuántico de PNNL, DM-SIM. Al diseñar y probar diferentes enfoques y configuraciones de estos elementos, pueden descubrir mejores formas de lograr sus objetivos.

Como explica Krishnamoorthy: “Lo que nos falta actualmente y lo que estamos tratando de construir con esta infraestructura de simulación es una solución llave en mano que podría permitir, por ejemplo, a un redactor de compiladores o un desarrollador de modelos de ruido o un arquitecto de sistemas, probar diferentes enfoques para unir qubits y haga la pregunta: ‘Si hacen esto, ¿qué pasa?’ «

Por supuesto, habrá muchos desafíos y decepciones en el camino, como la próxima retractación de un artículo de 2018 en la revista Nature. El estudio original, parcialmente financiado por Microsoft, declaró evidencia de una partícula teórica llamada fermión de Majorana, que podría haber sido un gran avance cuántico. Sin embargo, los errores encontrados en los datos contradicen esa afirmación.

Pero el progreso continúa, y una vez que estén disponibles computadoras cuánticas razonablemente robustas y escalables, todo tipo de usos potenciales podrían ser posibles. La optimización de la cadena de suministro y la logística pueden ser aplicaciones ideales que generen nuevos niveles de eficiencia y ahorro de energía para las empresas. Dado que la computación cuántica también debería poder realizar búsquedas muy rápidas en datos no clasificados, las aplicaciones que se centran en datos financieros, análisis de datos climáticos y genómica también son usos probables.

Eso es solo el comienzo. Las computadoras cuánticas podrían usarse para simular con precisión procesos físicos de la química y la física del estado sólido, marcando el comienzo de una nueva era para estos campos. Los avances en la ciencia de los materiales podrían ser posibles porque seremos más capaces de simular e identificar propiedades moleculares mucho más rápido y con mayor precisión que nunca antes. La simulación de proteínas utilizando computadoras cuánticas podría conducir a nuevos conocimientos sobre biología que revolucionarían la atención médica.

En el futuro, la criptografía cuántica también puede volverse común, debido a su potencial para comunicaciones y almacenamiento cifrado verdaderamente seguro. Eso es porque es imposible copiar con precisión datos cuánticos sin violar las leyes de la física. Dicho cifrado será aún más importante una vez que las computadoras cuánticas sean un lugar común porque sus capacidades únicas también les permitirán descifrar rápidamente los métodos tradicionales de cifrado como se mencionó anteriormente, haciendo que muchos métodos actualmente robustos sean inseguros y obsoletos.

Al igual que con muchas tecnologías nuevas, puede ser un desafío prever todos los usos y problemas potenciales que podría traer la computación cuántica, que es una de las razones por las que las empresas y la industria deben involucrarse en su desarrollo desde el principio. La adopción de un enfoque interdisciplinario podría generar todo tipo de nuevas ideas y aplicaciones y, con suerte, ayudaría a construir lo que en última instancia es una tecnología ética y confiable.

«¿Cómo trabajan todos juntos para que esto suceda?» pregunta Krishnamoorthy. “Creo que durante al menos las próximas dos décadas, para problemas de química, teoría nuclear, etc., necesitaremos esta máquina hipotética que todos diseñan y programan al mismo tiempo, y las simulaciones serán cruciales para eso . «

El futuro de la computación cuántica traerá enormes cambios y desafíos a nuestro mundo. Desde cómo protegemos nuestros datos más críticos hasta descubrir los secretos de nuestro código genético, es la tecnología la que tiene las claves de las aplicaciones, los campos y las industrias que aún no hemos imaginado.