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fecha: 18-dic-2019
Publicado por: Julian Eberling

Ordenadores cuánticos: estado de desarrollo y áreas de aplicación

 

Los ordenadores cuánticos tienen propiedades específicas que les permiten procesar exponencialmente más información que los ordenadores actuales. Pero, ¿cómo funcionan realmente los ordenadores cuánticos? ¿En qué fase de desarrollo se encuentran y dónde se encuentran las aplicaciones potenciales? Estas son las preguntas básicas que responderemos a continuación.

¿Cómo funcionan los ordenadores cuánticos?

Un bit, la unidad de memoria electrónica más pequeña, constituye la base de los ordenadores actuales. Mediante tensión puede asumir los estados 0 ó 1. En los ordenadores cuánticos, los bits cuánticos (qubits) forman el equivalente de los bits:

  1. En comparación con los bits, qubits no sólo puede asumir los estados 0 y 1, sino también ambos simultáneamente. En bits corresponde a los estados 00, 01, 10 y 11.
  2. Estos estados de superposición de las qubits se denominan "superposiciones".
  3. Los ordenadores cuánticos pueden calcular con estos cuatro estados al mismo tiempo y así ampliar enormemente las posibilidades de cálculo del ordenador.
  4. Mientras que un ordenador clásico ejecuta todos los pasos de cálculo uno tras otro, el ordenador cuántico puede procesar varios procesos de cálculo en paralelo.
  5. Cuanto mayor sea el número de qubits, mayor será el rendimiento de los ordenadores cuánticos.

Por lo tanto, un bit puede ser 0 y 1 al mismo tiempo en el ordenador cuántico. Un átomo puede estar en varios lugares al mismo tiempo, un electrón puede ser onda y partícula al mismo tiempo. Para ilustrarlo con un ejemplo: Su teléfono móvil, por ejemplo, está en la mesa o en el estante. En el mundo cuántico, sin embargo, su teléfono móvil puede estar en la mesa y en el estante al mismo tiempo.

 

¿Reemplazará el ordenador cuántico a los ordenadores convencionales?

Un ordenador cuántico no sustituye a un ordenador clásico. Puede realizar cálculos complejos en algunas aplicaciones específicas mucho más rápido que con los bits y los ordenadores digitales. En muchas áreas, sin embargo, una computadora cuántica no traerá ningún beneficio adicional. Por lo tanto, los ordenadores clásicos y los ordenadores cuánticos pueden considerarse en gran medida como sistemas informáticos complementarios.

 

Desafíos de la tecnología cuántica

El rápido desarrollo de la tecnología cuántica se ve obstaculizado en la actualidad por problemas que aún no se han resuelto suficientemente. Se trata, en particular, de

1. Sensibilidad a las influencias externas

Los procesos en un ordenador cuántico son muy sensibles a las influencias externas. Los cúbitos, por ejemplo, se ven influenciados incluso por los cambios de temperatura más pequeños o por la baja radiación. Por lo tanto, los procesos deben estar perfectamente aislados de posibles interferencias..

 

2. Superposición frágil

Mientras el qubit esté en estado de superposición, se puede realizar una operación aritmética. Por lo tanto, la decoherencia, es decir, la transición de la superposición al estado 0 o 1, debe retrasarse lo más posible. Un problema a este respecto es que es muy lento mantener el qubit en el estado de superposición. Actualmente, esto sólo dura unos 100 milisegundos.

 

3. Los errores aumentan con el número de Qubits

Otro problema es la alta tasa de error de los ordenadores cuánticos debido a la frágil superposición. Los errores aumentan exponencialmente con el número de qubits. Cuantas más qubits haya, más frágil será su interacción y más impreciso será el resultado. Para aumentar la potencia de cálculo, sin embargo, se requiere un mayor número de qubits.

Por lo tanto, el reto consiste en aumentar aún más la potencia de cálculo, manteniendo o mejorando al mismo tiempo la máxima precisión posible. Para conseguirlo, se está trabajando en una corrección de errores que garantice que los errores se puedan corregir incluso con un elevado número de qubits y que el resultado sea lo más preciso posible. Los impulsores de la tecnología cuántica son actualmente IBM, Google y Microsoft.

 

IBM: Q-Network para la investigación comercial

En el Consumer Electronics Show 2019 (CES) en Las Vegas, IBM presentó su primer ordenador cuántico comercial para su uso fuera del laboratorio. El sistema combina partes de ordenador cuánticas y clásicas, tiene 20 Qubit y puede ser utilizado para aplicaciones de investigación y de negocio.

 

 

Sin embargo, la máquina de 20-Qubit aún no es lo suficientemente potente para la mayoría de las aplicaciones comerciales. Por ello, IBM también ha subrayado que se trata de un primer intento y que los sistemas están "diseñados para abordar algún día problemas que actualmente se consideran demasiado complejos y exponenciales para ser abordados por los sistemas tradicionales".

Con la IBM Q Network, la compañía está estableciendo actualmente una red mundial de instituciones industriales, de investigación y científicas. El objetivo es reunir los intereses empresariales y de investigación para investigar las aplicaciones de la computación cuántica. Las organizaciones que trabajan con IBM tendrán acceso a su software cuántico y a sus sistemas de computación cuántica basados en la nube.

Los miembros fundadores de la red incluyen a Daimler, Barclays, Hitachi Metals, Honda, JP Morgan Chase, Samsung y las universidades de Oxford, Keio (Tokio) y Melbourne. También se han establecido asociaciones con ExxonMobil y laboratorios de investigación como el CERN y el Fermilab.

 

Google: Chip con 72 bits cuánticos

En marzo de 2018, Google introdujo su chip Bristlecone. Con sus 72 bits cuánticos, este chip de ordenador cuántico supera cualquier cosa que se haya visto antes. Con el apoyo de la NASA, en 2019 se demostrará que los ordenadores cuánticos pueden resolver problemas que los ordenadores convencionales simplemente no pueden resolver.

Google también persigue un concepto de plataforma similar al de IBM. La nube cuántica de Google permitirá a los fabricantes de maquinaria, a los fabricantes de productos químicos y a los fabricantes de automóviles en particular acelerar significativamente los complicados procesos de desarrollo -por ejemplo, para nuevas baterías o células solares- en el futuro.

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Chip de 72 bits cuánticos de Google

 

Microsoft: Menor corrección de errores con qubits topológicos

IBM y Google utilizan circuitos superconductores para construir ordenadores cuánticos. Por el contrario, Microsoft está trabajando en un ordenador cuántico con qubits topológicos. Según Microsoft, la ventaja de estos qubits es que se requieren considerablemente menos mecanismos de corrección de errores.

Mientras que un circuito cuántico superconductor es comparable a un castillo de naipes, que puede ser derrumbado por la más mínima interferencia del exterior, un circuito topológico es más comparable a los ladrillos Lego. Cuanto más grande es un castillo de naipes, más inestable se vuelve, mientras que la estructura de un Lego se vuelve más robusta a medida que aumenta su tamaño.

Por lo tanto, Microsoft necesitaría considerablemente menos Qubits para la misma tarea, lo que reduciría el esfuerzo. En comparación, la competencia tiene que lidiar con correcciones de errores para cantidades mucho mayores. El gigante del software podría obtener una ventaja significativa en el mercado con este ordenador cuántico mucho más potente, si funciona.

El primer ordenador cuántico de este tipo está previsto que esté terminado en 2023. Con Microsoft Quantum Network, Microsoft también ha puesto herramientas cuánticas a disposición de sus socios de red desde 2019.

 

4 aplicaciones potenciales para ordenadores cuánticos

Los ordenadores cuánticos podrían utilizarse para buscar rutas más eficientes, para predecir el mercado de valores, en el desarrollo de materiales y fármacos, en la producción y fabricación, en criptografía y mucho más. He aquí algunos ejemplos:

 

1. Simulación Cuántica

Una de las aplicaciones más prometedoras es la simulación cuántica de materiales. El objetivo es calcular las propiedades de los materiales por adelantado. Esto no es posible con los métodos convencionales, ya que incluso los superordenadores no pueden calcular el magnetismo y la electricidad hasta el último detalle y, por lo tanto, no pueden proporcionar predicciones realmente fiables sobre las propiedades de los materiales.

La potencia de cálculo de los ordenadores cuánticos puede utilizarse, por ejemplo, para simular materiales para baterías más potentes o pruebas de ciencias médicas. La simulación cuántica también ofrece posibilidades completamente nuevas en investigación genética o biotecnología.

Sin embargo, debido a la tasa de error, las simulaciones más complejas requieren un gran número de bits cuánticos, que actualmente no están disponibles en los ordenadores cuánticos. Sin embargo, un desarrollo prometedor en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia Austriaca de Ciencias (ÖAW) permitirá en el futuro realizar potentes simulaciones cuánticas de problemas en química, investigación de materiales o física de alta energía que hasta ahora han sido prácticamente imposibles de resolver.

 

 

 

2. Industria financiera

Debido a su capacidad de analizar grandes cantidades de datos en un corto período de tiempo, los ordenadores cuánticos también se están volviendo interesantes para el sector financiero. Por ejemplo, los agentes del mercado financiero con ordenadores cuánticos tendrían una ventaja sobre los agentes con ordenadores clásicos en la negociación de valores de alta frecuencia. El acoplamiento de los ordenadores cuánticos con la inteligencia artificial también proporcionará resultados aún más precisos para apoyar la toma de decisiones en el comercio. Los bancos también pueden utilizar ordenadores cuánticos para perfilar a sus clientes con el fin de detectar fraudes u optimizar las carteras de inversión.

 

3. Cifrado

Los métodos de encriptación de hoy en día sólo funcionan porque sería increíblemente intensivo en CPU para descifrarlos. Incluso las supercomputadoras tardarán años en descifrarse. Por lo tanto, los ordenadores cuánticos podrían convertirse en un peligro para un cifrado menos seguro en el futuro.

Sin embargo, incluso un ordenador cuántico con varios millones de qubits tardaría al menos 100 días en descifrar la encriptación de 2048-bits, tal y como la utilizan los bancos en la banca online, por ejemplo (fuente: estudio BSI). Sin embargo, los ordenadores cuánticos también podrían soportar el desarrollo de nuevos métodos de encriptación que sean absolutamente seguros.

 

4. Optimización del flujo de tráfico

La movilidad futura requerirá la gestión de procesos altamente complejos que podrían llevar a las generaciones actuales de ordenadores a sus límites o sobrecargarlos. Si se piensa en los atascos, por ejemplo, los sistemas actuales sólo informan de atascos. Numerosos conductores cambian de ruta y a menudo acaban de nuevo en atascos.

En un primer proyecto de investigación, Volkswagen ha demostrado que los ordenadores cuánticos pueden utilizarse eficazmente para el control del tráfico. Los datos en tiempo real de 10.000 taxis en Beijing fueron transferidos a un chip cuántico y analizados.

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Volkswagen utiliza ordenadores cuánticos para garantizar un control inteligente del tráfico, © Volkswagen AG

Basado en esto, el equipo de investigación desarrolló un algoritmo que dirigía a los taxistas a lo largo de diferentes rutas antes de que ocurriera el embotellamiento. Los investigadores pudieron predecir los atascos con 15 minutos de anticipación y optimizar las rutas de los taxis en consecuencia. De esta manera, el tiempo de conducción podría reducirse significativamente.

Por lo tanto, los algoritmos especiales pueden ejecutarse exponencialmente más rápido con Quantum Computing. Esto resulta en un enorme potencial para utilizar la tecnología cuántica en muchas industrias. Por ejemplo, los ordenadores cuánticos también podrían ser útiles para optimizar la planificación y la producción.

 

Conclusión: Ordenador cuántico

Los ordenadores cuánticos se encuentran todavía en las primeras fases de desarrollo, pero el potencial de aplicaciones en áreas como la medicina, la logística, la producción, la investigación de materiales o la movilidad es enorme. Los expertos suponen que en cinco a diez años los ordenadores cuánticos sustituirán a los ordenadores actuales en muchas tareas. Por lo tanto, las empresas deben considerar el potencial y las posibles aplicaciones mientras la tecnología se encuentre aún en sus inicios.

Chequeo de la innovación

Imagen Fuente Portada Imagen: https://www.pexels.com/photo/technology-computer-lines-board-50711/

Julian Eberling

Born in Vienna. Since 2018 "Certified Service Design Thinker" he has been pursuing his passion as Innovation Manager at LEAD Innovation.

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