José Luis López Fernández: "La supremacía cuántica es el límite más allá del cual los computadores cuánticos pueden realizar cálculos con mayor capacidad de lo que podría hacer cualquier computador clásico, incluidos los supercomputadores, por supuesto"

2 de mayo de 2020

El Centro Asociado a la UNED en Ourense organizó un curso de Computación Cuántica con éxito de participantes que siguen las clases que cada semana por webconferencia les ofrece López Fernández.

OURENSE, 1 de mayo de 2020.- José Luis López Fernández es doctor en Química Cuántica, licenciado en Químicas, licenciado en Físicas, ingeniero en Comunicaciones, con el especialidad Telemática, ingeniero informático, profesor de Ciclos formativa desde 1988 en el IES Marcos Valcárcel de A Carballeira (Ourense) y profesor tutor de la UNED desde 1993. Fernández es el ponente para el curso que UNED Ourense celebra por webconferencia.

-¿De dónde viene la computación cuántica?

-La computación cuántica procede de dos de las revoluciones científicas más importantes del siglo xx: la física cuántica y la computación. Con Google, IBM y Microsoft.

-¿Qué objetivos tiene el curso que celebraremos en UNED Ourense?

-Es un curso de iniciación a la computación cuántica, no es de mecánica cuántica, en el que se pretende dar difusión a esta tecnología, ya que probablemente en poco tiempo se necesitarán especialistas en la misma. Por lo tanto, se hace una comparación de las tecnologías clásicas y cuánticas. Se estudian los fundamentos de la tecnología cuántica y a continuación se estudia el conocido caso de IBM Q Experience, como ejemplo de computación en la nube. En la segunda parte del curso se estudian algunos algoritmos que muestran la viabilidad de la computación cuántica así como las mejoras que se obtienen al resolver el mismo problema con computación cuántica. Y los requisitos para seguir el curso son mínimos, un ligero conocimiento de computación clásica y un poco de álgebra lineal del nivel que se imparte en nuestros cursos de bachillerato.

-¿Qué es la computación cuántica?

La computación cuántica es un nuevo modelo de programación, un ejemplo paradigmático de tecnología disruptiva. La computación cuántica no es una evolución de la computación clásica sino más bien un invento tecnológico distinto, lo que lleva aparejado un cambio de paradigma. Ahora bien, la computación cuántica no sustituye a la computación clásica, sino que la complementa. En la computación clásica el elemento constructivo básico, a nivel de hardware, es el transistor, la creciente miniaturización de estos componentes ha llegado a un límite en el que aparecen efectos cuánticos y por lo tanto a partir de aquí se deben de utilizar dispositivos cuyo comportamiento obedezcan a las leyes de la Física Cuántica.

-¿Cómo funciona esto de la computación cuántica?

Los modelos matemáticos son algo complejos y se fundamentan en la Mecánica Cuántica y sus herramientas matemáticas, pero los principios de funcionamiento son sencillos de entender. Al igual que en la computación clásica, se tienen los bits, 0 y 1, como unidades de información; en la computación cuántica se maneja como unidad básica de información el cúbit o qubit, es decir el bit cuántico. Los bits clásicos se corresponden con dos estados del sistema, bien 0 o bien 1, mientras que el qubit se corresponde con una superposición de estados, siendo posibles a priori, que adopte un conjunto enorme de valores. Este concepto difícil de entender desde un punto de vista clásico, es compatible con la leyes de la mecánica cuántica y por lo tanto somos capaces de procesar una cantidad de información mucho mayor con qubits. Al aumentar el número de qubits se incrementa de manera exponencial la cantidad de información que se puede procesar y esto es lo que hace que esta computación pueda resolver problemas no abordables por la computación clásica.

-¿Cuándo se prevé que esta tecnología esté operativa en el mundo real?

-Podría decirse que respecto de esta tecnología hay optimistas y pesimistas. Si bien se han puesto en operación computadores de pocos qubits y aún estamos en los albores de la tecnología no parece que pueda haber computadores cuánticos comerciales hasta dentro de unos años, ahora mismo IBM ha anunciado el lanzamiento el 15 de octubre pasado del ordenador cuántico comercial más potente, un computador de 53 qubits, hasta ahora IBM tenía modelos de 20 qubits. Los clientes podrán utilizarla esta computadora a través de la nube. Este computador estará ubicado en el Centro de Computación Cuántica de IBM en Poughkeepsie (NuevaYork). Hay que tener en cuenta que aunque Google dispone de una computadora de 72 qubits, está no está a disposición de terceros. Es muy difícil predecir cuando el usuario medio empieze a utilizar estos computadores de forma masiva pero es probable que al menos esto no tenga lugar antes de 20 0 30 años salvo sorpresas, ya que aún hay retos técnicos que resolver. Por ahora aún hay pocos algoritmos cuánticos porque son difíciles de programar.

-¿Cómo se mide la potencia de los computadores cuánticos?

-La potencia de estos computadores se miden en qubits, a mayor número de qubits, mayor capacidad de procesamiento. Aunque también hay que tener en cuenta, a la hora de evaluar la potencia, dos problemas: el ruido y la corrección de errores que son dos dificultades para las que aún no hay solución satisfactoria. Hay dos conceptos clave en los que se funda el funcionamiento de estos computadores: la superposición de estados y el entrelazamiento cuántico. El paralelismo cuántico de debe a que el cúbit (qubit) puede hallarse en una superposición de estados. Es muy difícil preservar la superposición y el entrelazamiento debido a la decoherencia cuántica. Cuando aparece la decoherencia cuántica desaparecen los efectos cuánticos y el computador cuántico ya no funciona como tal sino de manera clásica y la duración de los efectos cuánticos puede ser del orden de nanosegundos y en algunos casos de microsegundos. Es necesario tener el sistema con coherencia cuántica para que los cálculos no contengan errores. En definitiva en la potencia de los computadores cuánticos pesa tanto el número de qubits como la coherencia y la corrección de errores.

-¿Qué se entiende por supremacía cuántica?

-La supremacía cuántica es el límite más allá del cual los computadores cuánticos pueden realizar cálculos con mayor capacidad de lo que podría hacer cualquier computador clásico, incluidos los supercomputadores, por supuesto. Con 72 qubits el número de elementos base es de 272 , es decir 4 000 000 000 000 000 000 000 elementos, número que se considera como el punto en el cual los computadores clásicos son superados por los cuánticos. Google ha anunciado en el pasado mes de octubre la consecución de la supremacía cuántica, el logro aparece comunicado en un artículo de la revista Nature publicado el 23 de octubre de 2019, (Quantum supremacy using a programmablle superconducting processor, Nature volume 574, pages 505–510, 2019).El caso de algunos comutadores de D-Wave con 2000 qubits, se trata de máquinas especializadas que no han conseguido hacer nada que no pudiese hacer un computador convencional por lo tanto no han superado la barrera de la supremacía cuántica.

-¿Qué aplicaciones tiene la computación cuántica?

-La carrera por la primacía en tecnología cuántica se disputa tanto a nivel de estados como de empresas, ya que permitirá resolver problemas que no se pueden afrontar con los computadores clásicos. En esta carrera Estados Unidos, China, Francia, Alemania, Japón y Rusia cuentan con programas nacionales propios. Las aplicaciones son, entre otras: el desarrollo de fármacos, la creación de nuevos materiales, la optimización del tráfico; el procesamiento de información financiera: búsqueda y asignación óptima de inversiones. Cálculo de riesgos; también el uso de herramientas de computación cuántica para entrenar redes neuronales de inteligencia artificial o la resolución de problemas matemáticos que hoy no se pueden solucionar. Igualmente nos permite entender reacciones químicas que pueden llevar a medicamentos; problemas de optimización, donde aparecen gran cantidad de datos; aplicaciones en medicina, a veces resultan en problemas moleculares y reacciones químicas por lo tanto si podemos acelerar los cálculos… mejores medicamentos. Se aplica del mismo modo en la seguridad de la información la criptografía. Los bits cuánticos nos dan nuevas herramientas para encriptar. Se puede teleportar información. Podemos utilizar la computación cuántica para proveernos de nuevas herramientas para hacer frente a los hackers y un largo etcétera. Todo esto puede parecer algo muy abstracto, pero la computación cuántica podrá tener aplicaciones prácticas a corto plazo en distintas áreas de la industria y la tecnología. Por ejemplo, podría usarse para descubrir materiales superconductores a temperatura ambiente que permitirían la transmisión de energía sin pérdidas, generar simulaciones biomédicas capaces de crear, simular y modelar estructuras moleculares que pueden ser la base de nuevos y potentes fármacos, optimizar complejos procesos logísticos, elaborar complejos modelos financieros y de gestión de riesgos o modelar complejas reacciones químicas que tienen grandes costes energéticos y medioambientales. Por ejemplo, el método Haber-Bosch de fijación del nitrógeno ambiental para la obtención de fertilizantes, fundamental para mejorar la producción mundial de alimentos. En resumen, las aplicaciones principales de la computación cuántica están relacionadas con la simulación de sistemas cuánticos (reacciones a nivel molecular), la optimización cuántica (resolver problemas minimizando las funciones de coste) y los relacionados con la física estocástica (simular procesos aleatorios).