No hace mucho, las limitaciones de las computadoras clásicas empujaron a los científicos a desarrollar un nuevo tipo de computación: la computación cuántica. Las computadoras cuánticas utilizan qubits en lugar de bits clásicos y pueden realizar ciertos cálculos mucho más rápido que las computadoras clásicas. Esta ventaja puede potencialmente transformar numerosos ámbitos y mejorar nuestra vida. En este artículo, brindaremos una descripción general de la computación cuántica, incluidas las industrias y campos que podrían revolucionarse con la computación cuántica. También discutiremos los desafíos y riesgos asociados con esta tecnología, así como lo que le depara el futuro.
Interior de un sistema informático IBM Quantum. (Crédito: IBM
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¿Qué es la Computación Cuántica?
La informática ha recorrido un largo camino desde que se desarrolló la teoría cuántica en la década de 1920 y se construyó la primera computadora programable, la Computadora e Integradora Numérica Electrónica ( ENIAC ), en 1945. La máquina fue la primera "automática, electrónica, de propósito general, computadora digital decimal", según el libro de Edwin D. Reilly "Milestones in Computer Science and Information Technology". ¿Qué es exactamente la computación cuántica? En resumen, es una tecnología que emerge rápidamente y que aprovecha las leyes de la mecánica cuántica para resolver problemas complejos de una manera más eficiente y poderosa que las computadoras clásicas. Para algunos problemas, las supercomputadoras no son tan geniales. En esencia, la computación cuántica se basa en el uso de bits cuánticos (qubits) para procesar y manipular información. A diferencia de los bits clásicos, que sólo pueden existir en uno de dos estados (0 o 1), los qubits pueden existir en múltiples estados simultáneamente debido al fenómeno de superposición. Esto permite a las computadoras cuánticas realizar muchos cálculos simultáneamente. Otro principio clave de la computación cuántica es el entrelazamiento , que permite que los qubits se correlacionen de tal manera que el estado de un qubit pueda afectar instantáneamente el estado de otro, incluso si están físicamente separados. Esto permite que las computadoras cuánticas realicen ciertas tareas mucho más rápido que las supercomputadoras: factorizar grandes números, buscar en grandes bases de datos, etc.
¿Cómo funcionan las computadoras cuánticas?
Como se acaba de mencionar, las computadoras cuánticas utilizan qubits en lugar de bits para ejecutar algoritmos cuánticos multidimensionales. Los qubits se crean utilizando superconductores, que exhiben efectos de la mecánica cuántica, como los pares de Cooper que pueden transportar una carga a través de aisladores mediante túneles cuánticos. El comportamiento de los qubits se puede controlar y manipular disparándoles fotones de microondas. Los qubits se pueden colocar en un estado de superposición, representando una combinación de todas las configuraciones posibles del qubit. Los grupos de qubits en superposición pueden crear espacios computacionales complejos que pueden representar problemas complejos de nuevas formas. Los ordenadores cuánticos son más pequeños y requieren menos energía que los superordenadores, pero necesitan ser muy fríos, lo que se consigue utilizando superfluidos superenfriados.
La computación cuántica es un campo en rápida evolución que va a revolucionar la forma de resolver problemas complejos. Varias empresas, incluidas IBM, Google y Rigetti, ya han construido computadoras cuánticas y las utilizan. Estas computadoras varían en tamaño desde unos pocos qubits hasta más de 100 qubits, y cada una tiene su propia arquitectura y conjunto de capacidades únicos.
En 2017, Rigetti anunció la disponibilidad beta pública de Forest 1.0, el primer entorno de programación full-stack del mundo para computación cuántica.
Sycamore
de Google es un procesador cuántico que tiene 53 qubits. Fue desarrollado en 2019 y pretendía completar una tarea en 200 segundos que requeriría 10.000 años para completar una supercomputadora de alta gama.
IBM también presentó la computadora cuántica IBM Quantum System One en 2019.
Contiene un procesador cuántico transmon de 20 qubits alojado en un sistema informático de 2,7x2,7x2,7 metros. Curiosamente, IBM anunció el nuevo procesador 'Osprey' de 433 qubit en la IBM Quantum Summit 2022.
"El nuevo procesador 'Osprey' de 433 qubit nos acerca un paso más al punto en que las computadoras cuánticas se utilizarán para abordar problemas que antes no tenían solución", – Dr. Darío Gil, vicepresidente senior de IBM y director de investigación. Además de los avances en hardware, también están avanzando las herramientas de software para la computación cuántica. Los lenguajes de programación como Q# y Qiskit permiten a los desarrolladores escribir programas cuánticos y ejecutarlos en simuladores o hardware cuánticos. Sin embargo, la computación cuántica todavía enfrenta algunos desafíos y limitaciones. El principal es la corrección de errores . A medida que se ejecuta un programa cuántico, los errores se acumulan rápidamente, lo que plantea desafíos para los científicos. Por lo tanto, desarrollar métodos eficaces de corrección de errores es crucial para construir computadoras cuánticas confiables y a gran escala. Otra limitación importante es la escalabilidad . Si bien ya existen computadoras cuánticas con decenas o cientos de qubits, construir una computadora cuántica a gran escala con miles o millones de qubits sigue siendo un desafío. Sin embargo, existe optimismo en que estos desafíos se superarán en los próximos años, allanando el camino para una adopción más amplia de la computación cuántica. Los sistemas IBM Quantum prometen crecer hasta 4000+ qubits para 2025 y más allá.
¿Cómo la computación cuántica está cambiando el mundo? Aplicaciones de la vida real
Dicho esto, ya existen varios casos de uso en diferentes industrias donde la computación cuántica está mostrando resultados sorprendentes.
Cuidado de la salud
Una de las áreas más prometedoras es la atención sanitaria. Las computadoras cuánticas pueden simular el comportamiento de moléculas y materiales con mayor precisión que las computadoras clásicas, lo que podría acelerar el descubrimiento de nuevos fármacos y tratamientos para enfermedades. Por ejemplo, algoritmos cuánticos como el Variational Quantum Eigensolver (VQE) se pueden utilizar para calcular la estructura electrónica de las moléculas con mayor precisión que los métodos clásicos. Además, la computación cuántica se puede utilizar para analizar grandes conjuntos de datos de registros médicos y ensayos clínicos con el fin de identificar nuevos objetivos para el descubrimiento de fármacos. Otro ejemplo de cómo se podría utilizar la computación cuántica en la atención sanitaria es mediante la detección virtual de candidatos a fármacos. Esto implica buscar en grandes bases de datos de medicamentos potenciales para identificar aquellos con las propiedades deseadas. La computación cuántica puede acelerar este proceso mediante la búsqueda eficiente en grandes cantidades de datos, lo que conduce a un descubrimiento y desarrollo de fármacos más rápido.
Finanzas
Otra aplicación importante de la computación cuántica puede residir en la optimización de problemas, como los que se encuentran en el ámbito financiero. La computación cuántica podría utilizarse para mejorar los modelos financieros y la gestión de riesgos. Por ejemplo, se pueden utilizar algoritmos cuánticos para analizar rápidamente grandes conjuntos de datos y hacer predicciones sobre las tendencias del mercado. Además, la criptografía cuántica se puede utilizar para asegurar transacciones financieras y proteger contra amenazas cibernéticas. La distribución de claves cuánticas (QKD) es una técnica que utiliza los principios de la mecánica cuántica para transmitir de forma segura claves de cifrado entre dos partes. QKD aprovecha el poder de los qubits entrelazados para crear una clave que es imposible de interceptar sin ser detectada.
Logística
La computación cuántica puede utilizarse potencialmente para optimizar la gestión de la cadena de suministro, reducir los costos de transporte y mejorar los tiempos de entrega. Por ejemplo, se pueden utilizar algoritmos cuánticos para analizar rápidamente las rutas más eficientes de transporte y distribución. Además, la computación cuántica podría utilizarse para resolver problemas complejos de programación, como los que se encuentran en la programación de líneas aéreas y ferrocarriles.
Energía
Se pueden utilizar algoritmos cuánticos para simular el comportamiento de los materiales utilizados en dispositivos de almacenamiento de energía, lo que conducirá al desarrollo de baterías más eficientes. Además de eso, la computación cuántica podría usarse para optimizar la producción de energía analizando patrones climáticos y prediciendo la demanda de energía.
Fabricación
Dado que la computación cuántica es capaz de analizar grandes conjuntos de datos y predecir programas de producción óptimos, también puede ser de gran utilidad en la fabricación. Como puede ver, las aplicaciones potenciales de la computación cuántica son enormes y hay muchas industrias que pueden transformarse con esta tecnología.
“Miedos” del futuro
De todo esto, es fácil concluir que el impacto de la computación cuántica en la sociedad será significativo. Y al igual que con cualquier otra tecnología revolucionaria, existen algunos riesgos asociados con la computación cuántica. Uno de los desafíos más importantes son las implicaciones éticas y sociales de la tecnología. La computación cuántica tiene el potencial de romper muchos de los métodos de cifrado utilizados para proteger datos confidenciales, lo que podría provocar violaciones de la privacidad y otros problemas de seguridad. Además, la computación cuántica podría usarse para desarrollar nuevas armas y tecnologías que podrían representar una amenaza para la seguridad global.
Resumen
Si bien la computación cuántica presenta varios desafíos y riesgos, muchas organizaciones están trabajando activamente para abordarlos mediante el desarrollo de nuevos métodos de cifrado, la mejora del hardware y el software cuánticos, además de brindar oportunidades de capacitación y educación. Por tanto, creemos que la computación cuántica revolucionará el mundo en el buen sentido. Al desarrollar tecnologías cuánticas sólidas y confiables, podemos desbloquear todo el potencial de la computación cuántica y crear un futuro más brillante para la informática y la sociedad en su conjunto. El momento de actuar es ahora, ¡así que continúa descubriendo el mundo de la tecnología con CodeGym!
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