Computación cuántica
La computación cuántica es un campo de investigación informática de rápido crecimiento con aplicaciones comerciales previstas en un futuro próximo. En este momento, las computadoras cuánticas superarán a las computadoras tradicionales en ciertas tareas, que incluyen modelado molecular y de materiales, optimización logística, modelado financiero, criptografía y capacitación en inteligencia artificial.
Fundamentos de la Computación Cuántica
Las computadoras tradicionales se construyen a partir de chips de silicio que contienen millones o miles de millones de transistores en miniatura. Cada uno de ellos se puede encender; según el entendimiento de la máquina, este es un estado "0" o "1". Posteriormente, la computadora almacena y procesa los datos usando " números binarios " o " bits ".
Las computadoras cuánticas funcionan con "bits cuánticos" o " qubits ". Pueden ser compatibles en hardware de diferentes formas, por ejemplo, utilizando las propiedades mecánicas cuánticas de circuitos eléctricos superconductores o iones atrapados individuales.
Los qubits pueden existir en más de un estado o " superposición"Al mismo tiempo. Esto permite que un qubit tome el valor "1", "0" o ambos al mismo tiempo. Esto permite que una computadora cuántica procese muchos más datos que una computadora clásica y realice un procesamiento masivo en paralelo. También significa que cada qubit agregado a una computadora cuántica aumenta exponencialmente su potencia.
La mayoría de las personas se pierden cuando se enteran de las propiedades de un qubit. Una moneda lanzada no puede salir cara y cruz al mismo tiempo. Y, sin embargo, el estado cuántico de un qubit puede hacer algo similar. Por lo tanto, no es sorprendente que el famoso físico nuclear Niels Bohr dijera una vez: "¡Cualquiera que no se sorprenda por la teoría cuántica simplemente no la entienda!"
Además de las superposiciones, los qubits pueden enredarse. " EnredoEs otra propiedad clave de la mecánica cuántica, lo que significa que el estado de un qubit puede depender del estado de otro. Esto significa que observar un qubit puede revelar el estado de su par inobservable.
Es muy difícil crear y administrar qubits. Muchos de los procesadores cuánticos experimentales actuales utilizan fenómenos cuánticos que ocurren en materiales superconductores y, por lo tanto, deben enfriarse hasta cerca del cero absoluto (aproximadamente menos 272 grados Celsius). También se requiere protección contra el ruido de fondo, e incluso entonces, realizar cálculos usando qubits requerirá corrección de errores. El objetivo principal de la computación cuántica es crear una máquina tolerante a fallas.
Pioneros cuánticos
Las empresas que actualmente desarrollan hardware para computadoras cuánticas incluyen: IBM, Alibaba, Microsoft, Google, Intel, D-Wave Systems, Quantum Circuits, IonQ, Honeywell, Xanadu y Rigetti. Muchos de ellos trabajan en conjunto con grupos de investigación en las principales universidades y todos continúan logrando avances significativos. La siguiente es una descripción general del trabajo de cada una de estas empresas.
IBM
IBM ha estado trabajando en una computadora cuántica durante más de 35 años. Ha logrado un progreso significativo con varias máquinas en funcionamiento. Según el sitio web de IBM-Q: “Hoy en día, la computación cuántica es un campo de juego para los investigadores, pero en cinco años se convertirá en la corriente principal. En cinco años, el efecto de la computación cuántica irá más allá del laboratorio de investigación. Será ampliamente utilizado por nuevas categorías de profesionales y desarrolladores que utilizan este nuevo método de cálculo para resolver problemas que antes se consideraban insuperables ".
En 2016, IBM lanzó un sitio webllamado IBM Q Experience, que mostró una computadora cuántica de 5 qubit a todo Internet. Desde entonces, se le ha unido una segunda máquina de 5 qubit y una máquina de 16 qubit, ambas disponibles para experimentación. Para ayudar a aquellos que quieran aprender y participar en la computación cuántica, IBM ofrece una plataforma de software de computación cuántica de código abierto llamada Qiskit .
En noviembre de 2017, IBM anunció que se agregarían dos máquinas de 20 qubit a su nube cuántica. Pueden ser utilizados por clientes que son miembros registrados de IBM Q Network... IBM lo describe como "una comunidad mundial de empresas líderes de Fortune 500, nuevas empresas, instituciones académicas y laboratorios de investigación nacionales que trabajan con IBM para promover la computación cuántica y explorar aplicaciones prácticas para los negocios y la ciencia".
También en noviembre de 2017, IBM anunció que había diseñado un procesador cuántico de 50 qubit, que en ese momento se consideraba el hardware cuántico más poderoso.
Computadora cuántica de 50 qubit de IBM
En enero de 2019, IBM anunció su IBM Q System Onecomo "el primer sistema de computación cuántica aproximada universal integrado del mundo desarrollado para uso científico y comercial". Este sistema modular y relativamente compacto está diseñado para su uso fuera del laboratorio. Puede leer más sobre IBM Q System One en este comunicado de prensa .
Otro gigante tecnológico que está trabajando duro para hacer realidad la computación cuántica es Google, que tiene un laboratorio de inteligencia artificial cuántica. En marzo de 2017, los ingenieros Masoud Mohseni, Peter Reed y Hartmut Neven, que trabajan en la instalación, publicaron un artículo en Nature . En él, dijeron que la computación cuántica es posible en dispositivos relativamente pequeños que aparecerán durante los próximos cinco años. Esto confirma la opinión de IBM sobre el momento de la computación cuántica comercial.
En los primeros días de la computación cuántica, Google utilizó una máquina de la empresa canadiense D-Wave Systems. Sin embargo, la compañía ahora está desarrollando activamente su propio equipo, y en marzo de 2018 anunció un nuevo procesador cuántico de 72 qubit llamadoBristlecone .
En junio de 2019, el director del laboratorio de inteligencia artificial cuántica de Google Hartmut Neven informó que la potencia de sus procesadores cuánticos actualmente está creciendo exponencialmente dos veces. Esto se ha llamado "Ley de Nevan" y sugiere que podemos alcanzar el punto de superioridad cuántica, donde una computadora cuántica puede superar a cualquier computadora clásica a fines de 2019.
En octubre de 2019, un equipo de ingenieros de Google publicó un artículo en Nature, en el que afirmó haber alcanzado la superioridad cuántica. Específicamente, los científicos de Google utilizaron un procesador cuántico llamado Sycamore para muestrear la salida de un circuito cuántico pseudoaleatorio. Sycamore tardó unos 200 segundos en muestrear una instancia del esquema un millón de veces. En comparación, el equipo de Google calculó que una supercomputadora clásica tardaría unos 10.000 años en realizar los mismos cálculos. El equipo concluyó entonces: “Los procesadores cuánticos basados en qubits superconductores ahora pueden realizar cálculos más allá del alcance de las supercomputadoras clásicas más rápidas disponibles en la actualidad. Este experimento marca el primer cálculo que solo se puede realizar en un procesador cuántico. Por lo tanto, los procesadores cuánticos han alcanzado el régimen de supremacía cuántica ".
Esta revelación de los ingenieros de Google fue una gran noticia, pero pronto provocó controversia. IBM publicó una publicación de blog en la que decía que los cálculos del experimento de Google podrían realizarse en una computadora clásica en dos días y medio, no en 10,000 años. Y de acuerdo con IBM: "Dado que el significado original del término 'supremacía cuántica', propuesto por John Preskill en 2012, era describir el punto en el que las computadoras cuánticas pueden hacer lo que las computadoras clásicas no pueden, este límite aún no se ha cruzado".
Alibaba
En China, el principal gigante de Internet es Alibaba , no Google. Y en julio de 2015, se fusionaron con la Academia de Ciencias de China para formar el "Laboratorio de Computación Cuántica CAS - Alibaba". Como explicó el profesor Jianwei Pan, su objetivo es "realizar investigaciones de vanguardia sobre sistemas que parecen más prometedores para la implementación de aplicaciones prácticas de la computación cuántica y romper los cuellos de botella de la ley de Moore y la computación clásica". Puede visitar el sitio web del laboratorio aquí .
Al igual que IBM, Alibaba ha puesto a disposición en línea una computadora cuántica experimental. Específicamente, en marzo de 2018, el gigante chino del comercio electrónico lanzó su "nube de computación cuántica superconductora" para brindar acceso a una computadora cuántica de 11 qubit. Fue desarrollado con la Academia China de Ciencias y permite a los usuarios ejecutar programas cuánticos y descargar resultados.
Microsoft
Como era de esperar, Microsoft también está interesado en la computación cuántica y está trabajando con algunos de los principales científicos y universidades del mundo. Con este fin, Microsoft ha establecido varios laboratorios Station Q , como el laboratorio de la Universidad de California. En febrero de 2019, la compañía también anunció Microsoft Quantum Network para reunir a todas las coaliciones de socios.
Un elemento clave de la estrategia de Microsoft es desarrollar computadoras cuánticas basadas en " qubits topológicos”Que la empresa crea que será menos propenso a errores (por lo tanto, se requieren menos recursos del sistema para corregir errores). Microsoft también cree que los qubits topológicos serán más fáciles de escalar para aplicaciones comerciales. Según un artículo de mayo de 2018 en Computer Weekly, el vicepresidente de Computación Cuántica de Microsoft cree que las computadoras cuánticas comerciales podrían llegar a su plataforma en la nube Azure en solo cinco años.
En el lado del software, en diciembre de 2017, Microsoft lanzó una vista previa de su herramienta de desarrollo informático. Se puede descargar gratis e incluye un lenguaje de programación llamado Q #y un simulador de computación cuántica. En mayo de 2019, Microsoft anunció que iba a abrir la herramienta de desarrollo de código abierto. Y en mayo de 2020, la compañía anunció su servicio de computación en la nube Azure Quantum .
Intel
Intel, como fabricante de microprocesadores líder en el mundo, también está trabajando en chips para computación cuántica. La empresa adopta dos enfoques diferentes. Una de estas áreas se está desarrollando en colaboración con el pionero holandés líder en computación cuántica QuTech . El 17 de noviembre de 2017 Intel anunció la entrega de un chip de prueba de 17 qubit a su socio en los Países Bajos. Luego, en enero de 2018 en CES, la compañía anunció la entrega de un procesador de prueba cuántica de 49 qubit llamado Tangle Lake .
La segunda línea de investigación de Intel en computación cuántica es completamente interna e implica la creación de procesadores basados en una tecnología llamada spin qubit.". Esta es una innovación importante porque los chips spin qubit se fabrican utilizando los métodos tradicionales de fabricación de silicio de Intel. En junio de 2018, Intel anunció que había comenzado a probar un chip qubit de 26 espines.
Los qubits de giro de Intel tienen solo unos 50 nanómetros de diámetro, o 1/1500 del ancho de un cabello humano. Esto significa que quizás en diez años, Intel podrá producir pequeños procesadores cuánticos que contienen miles o millones de qubits. A diferencia de los procesadores convencionales, deben enfriarse hasta casi el cero absoluto. Pero el potencial es realmente emocionante. Según sección El sitio de computación cuántica de Intel, la compañía tiene como objetivo producir procesadores cuánticos durante diez años y espera que la tecnología entre en su "fase comercial" alrededor de 2025.
Sistemas D-Wave
D-Wave Systems es un pionero de la computación cuántica con sede en Canadá y demostró una computadora cuántica de 16 qubit en 2007. En 2011, la compañía vendió una máquina D-Wave One de 128 qubit por $ 10 millones a Lockheed Martin, una corporación industrial militar de EE. UU. En 2013 - D-Wave Two de 512 qubit para la NASA y Google. Para 2015, D-Wave había roto la barrera de los 1,000 qubit con su D-Wave 2X , y en enero de 2017 vendió su primer D-Wave 2000Q de 2,000 qubit a la firma de ciberseguridad Temporal Defense Systems.
Al leer esta lista de avances, es posible que haya llegado a la conclusión de que D-Wave debería ser el fabricante líder mundial de computadoras cuánticas. Después de todo, esta es la única empresa que vende este tipo de máquinas. Sin embargo, el trabajo de la empresa sigue siendo controvertido. Esto se debe a que su equipo se basa en un proceso "adiabático" llamado " recocido cuántico " , que otros pioneros han descartado como "restrictivo" y "callejón sin salida". IBM, por ejemplo, está adoptando un enfoque "basado en puertas" para la computación cuántica que le permite controlar los qubits de una manera similar a cómo un transistor controla el flujo de electrones en un microprocesador convencional. Pero no existe tal control en el sistema D-Wave.
En cambio, la computadora cuántica D-Wave aprovecha el hecho de que todos los sistemas físicos tienden hacia estados de energía mínima. Entonces, por ejemplo, si prepara una taza de té y se va por negocios, cuando regrese, hará frío, porque el contenido tiende al estado de energía mínima. Los qubits del sistema D-Wave también son susceptibles a esto, por lo que la empresa utiliza sus equipos para resolver problemas de optimización, que se pueden expresar como “problemas de minimización de energía”. Esto limita las posibilidades, pero aún permite que el hardware ejecute ciertos algoritmos mucho más rápido que una computadora clásica. Puede ver el video en el que D-Wave explica su enfoque de la computación cuántica.
En agosto de 2016 en el artículoPhysical Review X informó que algunos algoritmos se ejecutan hasta 100 millones de veces más rápido en D-Wave 2X que en un procesador clásico de un solo núcleo. Uno de los autores de este estudio fue el CTO de Google. Todo esto sugiere que la opinión sobre el valor de D-Wave para el desarrollo de la computación cuántica sigue siendo controvertida.
La compañía continúa promocionando sus computadoras cuánticas. En octubre de 2018, D-Wave lanzó un marco de aplicación cuántica basado en la nube llamado Leap . Proporciona acceso en tiempo real a la computadora cuántica D-Wave 2000Q y, en marzo de 2019, se amplió el acceso para brindar esta capacidad a Japón y a toda Europa.
Rigetti
Otro jugador en el campo de la computación cuántica es una startup llamada Rigetti . La compañía ya emplea a más de 120 personas y ha construido una computadora cuántica de 19 qubits disponible en línea a través de su entorno de desarrollo llamado Forest .
Circuitos cuánticos
Otra startup es Quantum Circuits , fundada por el destacado profesor de computación cuántica, Robert Schölkopf y otros colegas de la Universidad de Yale. La compañía ha recaudado $ 18 millones en capital de riesgo y planea " vencer a los gigantes de la computación " en la carrera por crear una computadora cuántica viable.
IonQ
IonQ : se especializa en computación cuántica de iones atrapados. La compañía afirma que su tecnología "combina un rendimiento físico inigualable, una replicación perfecta de qubit, conectividad óptica y algoritmos altamente optimizados" para "crear una computadora cuántica que es tan escalable como poderosa y que admitirá una amplia variedad de aplicaciones. en una variedad de industrias ". Si desea obtener más información sobre la computación cuántica, el sitio de IonQ tiene un excelente tutorial .
Xanadu
Xanadu desarrolla computación cuántica fotónica integrando "chips fotónicos de silicio cuántico en el hardware existente para crear computación cuántica completamente funcional". Como señala la compañía, en comparación con otras tecnologías qubit, “los fotones son muy estables y casi inmunes al ruido aleatorio del calor. Usamos chips fotónicos para generar, controlar y medir fotones de formas que permiten un cálculo extremadamente rápido ”.
Honeywell
Honeywell es otra empresa que utiliza computación cuántica de iones atrapados . La empresa tiene una vasta experiencia en informática empresarial. En junio de 2020, Honeywell anunció la computadora cuántica de mayor rendimiento del mundo. El resto de empresas se mostró escéptico al respecto. Pero, sin embargo, este es otro desarrollo importante, especialmente desde que se supo que el holding financiero estadounidense JPMorgan Chase ya está experimentando con este sistema para desarrollar aplicaciones de servicios financieros, incluida la detección de fraudes y el comercio controlado por IA.
Amazonas
Amazon no ha anunciado ningún desarrollo de hardware o software para la computación cuántica. Sin embargo, el 2 de diciembre de 2019, el gigante lanzó una serie de servicios web cuánticos de Amazon . Estos incluyen Amazon Bracket , que permite a los científicos, investigadores y desarrolladores comenzar a experimentar con computadoras cuánticas de múltiples proveedores de hardware. Específicamente, los clientes pueden acceder a equipos de Rigetti, Ion-Q y D-Wave Systems, lo que significa que pueden experimentar con sistemas basados en tres tecnologías qubit diferentes.
Además de Bracket, Amazon también lanzó Amazon Quantum Solutions Lab... Está diseñado para ayudar a las empresas a "prepararse para la computación cuántica" permitiéndoles trabajar con los principales expertos. Por lo tanto, lo clave que hace Amazon con sus ofertas de computación cuántica es actuar como intermediario en la nube. Es decir, convertirse en intermediario entre los fabricantes de ordenadores cuánticos y aquellos que quieran utilizar sus capacidades.
Desarrolladores de software informático cuántico
Incluso la computadora cuántica mejor equipada no se puede utilizar sin el software adecuado, y muchos de los fabricantes de estas máquinas están desarrollando el suyo propio. Sin embargo, la cantidad de software de terceros para computadoras cuánticas crece constantemente.
1QBit
1QBit se asocia con grandes empresas y "proveedores líderes de hardware para abordar los desafíos de la industria en optimización, simulación y aprendizaje automático". La empresa desarrolla software para procesadores tanto clásicos como cuánticos.
CQC
Cambridge Quantum Computing desarrolla software de computación cuántica para resolver los "problemas más intrigantes" en campos como la química cuántica, el aprendizaje automático cuántico y la ciberseguridad cuántica. Entre los clientes se encuentran empresas de “algunas de las organizaciones de ciencia química, energética, financieras y de materiales más grandes del mundo” que están intentando aprovechar el poder de la computación cuántica.
QC Ware
QC Ware desarrolla "software y servicios de computación cuántica empresarial" con clientes como Airbus, BMW y Goldman Sachs, y socios de hardware como AWS, D-Wave Systems, Google, IBM, Microsoft y Rigetti.
QSimulate
QSimulate desarrolla software para "aprovechar el poder del modelado cuantitativo para resolver problemas farmacéuticos y químicos urgentes".
Rahko
Rahko crea un software diseñado para utilizar el aprendizaje automático cuántico (IA cuántica) para resolver problemas de química cuántica.
Zapata
Zapata trabaja con sus clientes para desarrollar software de computadora cuántica para resolver problemas informáticos complejos en áreas como química, finanzas, logística, productos farmacéuticos, ingeniería mecánica y materiales.
Las aplicaciones de computación cuántica incluyen modelado molecular (también conocido como química cuántica), optimización logística, modelado financiero, criptografía y entrenamiento en inteligencia artificial. Algunas grandes empresas ya están explorando activamente qué pueden hacer exactamente las máquinas cuánticas por su investigación y desarrollo, productos y servicios, y sus resultados finales. Te daré algunos ejemplos.
Daimler está trabajando con IBM y Google para investigar cómo se pueden utilizar las computadoras cuánticas en logística para optimizar las rutas de entrega de vehículos o el flujo de piezas a través de las fábricas. La compañía también está explorando cómo se pueden usar las computadoras cuánticas para modelar las estructuras químicas y las reacciones dentro de las baterías para ayudar a mejorar los vehículos eléctricos.
Otro gigante automotriz, Volkswagen, está trabajando con Google y D-Wave Systems para aplicar computadoras cuánticas para resolver problemas de optimización del tráfico y desarrollar mejores baterías.
En el sector financiero, JPMorgan está trabajando con IBM para estudiar cómo las computadoras cuánticas pueden ayudar a diseñar estrategias comerciales, optimización de carteras, precios de activos y análisis de riesgos. Otro conglomerado financiero, Barclays, está participando en IBM Q Network para ver si las computadoras cuánticas se pueden utilizar para optimizar la liquidación de grandes lotes de transacciones financieras.
En 2011, el gigante aeroespacial Lockheed Martinse convirtió en el primer comprador de una computadora cuántica fabricada por D-Wave Systems y ha continuado explorando la posibilidad de utilizar esta tecnología para aplicaciones que incluyen control de tráfico aéreo y verificación de sistemas Airbus está explorando de manera similar cómo las computadoras cuánticas pueden acelerar sus actividades de investigación y ha invertido en QC Ware, una compañía de software para máquinas cuánticas.
Mientras tanto, Accenture Labs y la empresa de biotecnología Biogenestán colaborando con 1QBit para explorar cómo se puede acelerar el descubrimiento de fármacos mediante el uso de computadoras cuánticas para comparaciones moleculares. En septiembre de 2017, IBM utilizó su hardware de 7 qubit para modelar la estructura de una molécula de hidruro de berilio triatómico. En octubre de 2017, Google y Rigetti también anunciaron OpenFermion , un programa para simular procesos químicos en una computadora cuántica.
Futuro cuántico
Espero que este artículo le haya mostrado cómo la computación cuántica pasa de la fantasía a la realidad con bastante rapidez. Es razonable suponer que en la década de 1920, las supercomputadoras cuánticas estarán disponibles en la nube, que encontrarán aplicaciones prácticas a bajo costo. Es posible que en una década, la búsqueda en Internet convencional y los servicios de inteligencia artificial en la nube exploten el poder de las máquinas cuánticas sin que la mayoría de los usuarios se den cuenta.
Para aquellos que buscan obtener más información, aquí hay algunas fuentes seleccionadas para obtener más información:
- Kevin Hartnett, The Dawn of Quantum Computing , Quanta Magazine, 18 de junio de 2019
- Artículo de Masoud Mohseni 2017 "Comercialización de las primeras tecnologías cuánticas"
- Artículo de John Preskill "Computación cuántica en la era NISQ y más allá" de 2018
- Sitio web de IonQ Technology
- Video de D-Wave Systems que explica el recocido cuántico
- Sitio web de IBM-Q
- Sitio de Microsoft Quantum Computing
- Sitio web de Google Quantum AI
- Blog de noticias de Intel Quantum Computing
- Sitio web de D-Wave Systems
- Sitio web de Quantum Circuits
- Sitio web de HQS Quantum Simulations
En el libro " Digital Genesis " de Christopher Barnatt, autor de este artículo y explicandocomputers.com, puedes leer sobre computación cuántica y mucho más relacionado con los desarrollos futuros de la computación, como las computadoras orgánicas.
