José Luis López Fernández: " A supremacía cuántica é o límite máis aló do cal os computadores cuánticos poden realizar cálculos con maior capacidade do que podería facer calquera computador clásico, incluídos os supercomputadores, por suposto"

2 de mayo de 2020

O Centro Asociado á UNED en Ourense organizou un curso de Computación Cuántica con éxito de participantes que seguen as clases que cada semana por webconferencia lles ofrece López Fernández.

OURENSE, 1 de maio de 2020.- José Luis López Fernández é doutor en Química Cuántica, licenciado en Químicas, licenciado en Físicas, enxeñeiro en Comunicacións, co especialidade Telemática, enxeñeiro informático, profesor de Ciclos formativa desde 1988 no IES Marcos Valcárcel da Carballeira (Ourense) e profesor titor da UNED desde 1993. Fernández é o relator para o curso que UNED Ourense está desenvolvendo mediante webconferencia.

-De onde vén a computación cuántica?

-A computación cuántica procede de dúas das revolucións científicas máis importantes do século xx: a física cuántica e a computación. Con Google, IBM e Microsoft.

-Que obxectivos ten o curso que celebraremos en UNED Ourense?

-É un curso de iniciación á computación cuántica, non é de mecánica cuántica, no que se pretende dar difusión a esta tecnoloxía, xa que probablemente en pouco tempo necesitaranse especialistas na mesma. Por tanto, faise unha comparación das tecnoloxías clásicas e cuánticas. Estúdanse os fundamentos da tecnoloxía cuántica e a continuación estúdase o coñecido caso de IBM Q Experience, como exemplo de computación na nube. Na segunda parte do curso estúdanse algúns algoritmos que mostran a viabilidade da computación cuántica así como as melloras que se obteñen ao resolver o mesmo problema con computación cuántica. E os requisitos para seguir o curso son mínimos, un lixeiro coñecemento de computación clásica e un pouco de álxebra lineal do nivel que se imparte nos nosos cursos de bacharelato.

-Que é a computación cuántica?

-É un novo modelo de programación, un exemplo paradigmático de tecnoloxía disruptiva. A computación cuántica non é unha evolución da computación clásica senón máis ben un invento tecnolóxico distinto, o que comporta un cambio de paradigma. Agora ben, a computación cuántica non substitúe á computación clásica, senón que a complementa. Na computación clásica o elemento construtivo básico, a nivel de hardware, é o transistor, a crecente miniaturización destes compoñentes chegou a un límite no que aparecen efectos cuánticos e por tanto a partir de aquí débense de utilizar dispositivos cuxo comportamento obedezan ás leis da Física Cuántica.

-Como funciona isto da computación cuántica?

-Os modelos matemáticos son algo complexos e fundaméntanse na Mecánica Cuántica e as súas ferramentas matemáticas, pero os principios de funcionamento son sinxelos de entender. Do mesmo xeito que na computación clásica, téñense os bits, 0 e 1, como unidades de información; na computación cuántica manéxase como unidade básica de información o cúbit ou qubit, é dicir o bit cuántico. Os bits clásicos correspóndense con dous estados do sistema, ben 0 ou ben 1, mentres que o qubit correspóndese cunha superposición de estados, sendo posibles a priori, que adopte un conxunto enorme de valores. Este concepto difícil de entender desde un punto de vista clásico, é compatible coa leis da mecánica cuántica e por tanto somos capaces de procesar unha cantidade de información moito maior con qubits. Ao aumentar o número de qubits increméntase de maneira exponencial a cantidade de información que se pode procesar e isto é o que fai que esta computación poida resolver problemas non abordables pola computación clásica.

-Cando se prevé que esta tecnoloxía estea operativa no mundo real?

-Podería dicirse que respecto desta tecnoloxía hai optimistas e pesimistas. Aínda que se puxeron en operación computadores de poucos qubits e aínda estamos nos albores da tecnoloxía non parece que poida haber computadores cuánticos comerciais ata dentro duns anos, agora mesmo IBM anunciou o lanzamento o 15 de outubro pasado do computador cuántico comercial máis potente, un computador de 53 qubits, ata o de agora IBM tiña modelos de 20 qubits. Os clientes poderán utilizala esta computadora a través da nube. Este computador estará situado no Centro de Computación Cuántica de IBM en Poughkeepsie (Nova Iorque)). Hai que ter en conta que aínda que Google dispón dunha computadora de 72 qubits, está non está ao dispor de terceiros. É moi difícil predicir cando o usuario medio empieze a utilizar estes computadores de forma masiva pero é probable que polo menos isto non teña lugar antes de 20 0 30 anos salvo sorpresas, xa que aínda hai retos técnicos que resolver. Por agora aínda hai poucos algoritmos cuánticos porque son difíciles de programar.

-Como se mide a potencia dos computadores cuánticos?

-A potencia destes computadores mídense en qubits, a maior número de qubits, maior capacidade de procesamento. Aínda que tamén hai que ter en conta, á hora de avaliar a potencia, dous problemas: o ruído e a corrección de erros que son dúas dificultades para as que aínda non hai solución satisfactoria. Hai dous conceptos crave nos que se funda o funcionamento destes computadores: a superposición de estados e o entrelazamiento cuántico. O paralelismo cuántico de debe a que o cúbit ( qubit) pode acharse nunha superposición de estados. É moi difícil preservar a superposición e o entrelazamiento debido á decoherencia cuántica. Cando aparece a decoherencia cuántica desaparecen os efectos cuánticos e o computador cuántico xa non funciona como tal senón de maneira clásica e a duración dos efectos cuánticos pode ser da orde de nanosegundos e nalgúns casos de microsegundos. É necesario ter o sistema con coherencia cuántica para que os cálculos non conteñan erros. En definitiva na potencia dos computadores cuánticos pesa tanto o número de qubits como a coherencia e a corrección de erros.

-Que se entende por supremacía cuántica?

-A supremacía cuántica é o límite máis aló do cal os computadores cuánticos poden realizar cálculos con maior capacidade do que podería facer calquera computador clásico, incluídos os supercomputadores, por suposto. Con 72 qubits o número de elementos basee é de 272 , é dicir 4 000 000 000 000 000 000 000 elementos, número que se considera como o punto no cal os computadores clásicos son superados polos cuánticos. Google anunciou no pasado mes de outubro a consecución da supremacía cuántica, o logro aparece comunicado nun artigo da revista Nature publicado o 23 de outubro de 2019, ( Quantum supremacy using a programmablle superconducting processor, Nature volume 574, pages 505–510, 2019). O caso dalgúns conmutadores de D-Wave con 2000 qubits, trátase de máquinas especializadas que non conseguiron facer nada que non puidese facer un computador convencional por tanto non superaron a barreira da supremacía cuántica.

-Que aplicacións ten a computación cuántica?

-A carreira pola primacía en tecnoloxía cuántica dispútase tanto a nivel de estados como de empresas, xa que permitirá resolver problemas que non se poden afrontar cos computadores clásicos. Nesta carreira Estados Unidos, China, Francia, Alemaña, Xapón e Rusia contan con programas nacionais propios. As aplicacións son, entre outras: o desenvolvemento de fármacos, a creación de novos materiais, a optimización do tráfico; o procesamento de información financeira: procura e asignación óptima de investimentos. Cálculo de riscos; tamén o uso de ferramentas de computación cuántica para adestrar redes neuronais de intelixencia artificial ou a resolución de problemas matemáticos que hoxe non se poden solucionar. Igualmente permítenos entender reaccións químicas que poden levar a medicamentos; problemas de optimización, onde aparecen gran cantidade de datos; aplicacións en medicina, ás veces resultan en problemas moleculares e reaccións químicas por tanto se podemos acelerar os cálculos… mellores medicamentos. Aplícase do mesmo xeito na seguridade da información a criptografía. Os bits cuánticos dannos novas ferramentas para encriptar. Pódese teleportar información. Podemos utilizar a computación cuántica para provernos de novas ferramentas para facer fronte aos hackers e un longo etcétera. Todo isto pode parecer algo moi abstracto, pero a computación cuántica poderá ter aplicacións prácticas a curto prazo en distintas áreas da industria e a tecnoloxía. Por exemplo, podería usarse para descubrir materiais superconductores a temperatura ambiente que permitirían a transmisión de enerxía sen perdas, xerar simulacións biomédicas capaces de crear, simular e modelar estruturas moleculares que poden ser a base de novos e potentes fármacos, optimizar complexos procesos loxísticos, elaborar complexos modelos financeiros e de xestión de riscos ou modelar complexas reaccións químicas que teñen grandes custos enerxéticos e ambientais. Por exemplo, o método Haber-Bosch de fixación do nitróxeno ambiental para a obtención de fertilizantes, fundamental para mellorar a produción mundial de alimentos. En resumo, as aplicacións principais da computación cuántica están relacionadas coa simulación de sistemas cuánticos (reaccións a nivel molecular), a optimización cuántica (resolver problemas minimizando as funcións de custo) e os relacionados coa física estocástica (simular procesos aleatorios).