PENSEMOS en tres problemas exasperantes:cada año se usa 1 por ciento de la energía mundial para producir fertilizantes; los paneles solares no son lo bastante poderosos para energizar la mayoría de los hogares; e invertir en tales acciones es como jugar a la ruleta rusa.
Según los científicos, esas situaciones aparentemente disímiles pueden resolverse con la misma herramienta: la computación cuántica. Las computadoras cuánticas utilizan partículas superconductoras para hace tareas, y siempre se han considerado un lujo reservado a los niveles académicos superiores. Algo muy ajeno a los simples mortales. Pero eso cambiará rápidamente.
El año pasado, IBM decidió explorar las posibilidades comerciales lanzando Quantum Experience, un servicio cuántico en la nube para que los investigadores corrieran experimentos sin tener que comprar un sistema cuántico. Pero a principios de marzo, fue más allá con su programa y anunció IBM Q, el primer sistema de computación cuántica en la nube para uso comercial. Ahora, cualquier empresa podrá comparar tiempo en las computadoras cuánticas de IBM del estado de Nueva York (aunque todavía no se han dado a conocer fechas ni costos y se espera que, inicialmente, resulte prohibitivo para las compañías pequeñas).
Jarrod McClean, asociado de ciencias computacionales en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, comenta que la noticia es emocionante porque no se esperaba que la computación cuántica llegara a los mercados comerciales en varias décadas. El año pasado, algunos expertos calcularon que aún faltaban unos 40 años para que iniciara la experimentación comercial. Y, sin embargo, aquí está, ylas aplicaciones potenciales podrían cambiar la manera como las farmacéuticas hacen medicinas, la forma como las empresas de logística programas trenes, y el modo como los administradores de fondos obtienen ventajas en el mercado accionario. “Una vez que la gente empiece a considerar la [computación] cuántica, veremos cada vez más aplicaciones”, dice McClean.
La computación cuántica es tan distinta de la tradicional como un ábaco de una MacBook. “La computación clásica se [inventó] en los años cuarenta. Esto es como [aquella creación], pero va mucho más allá”, interpone Scott Crowder, vicepresidente de Sistemas IBM y director de tecnología para computación, estrategia técnica y transformación cuántica. “Toma todo lo que sabes sobre la operación de una clase de computadoras, y olvídalo”.
Las computadoras cuánticas están formadas por elementos llamados qubits (o cubits), también conocidos como bits cuánticos. En algunos problemas, aprovechan la física extraña de la mecánica cuántica para trabajar más rápido que los chips de una computadora tradicional (del mismo que un avión no puede compararse, exactamente, con un auto de carreras, la computadora clásica seguirá haciendo algunas cosas mejor que una computadora cuántica y viceversa. El tema es que son distintas).
Para explicar cómo funcionan los qubits hay que meternos en la mecánica cuántica, la cual no sigue las mismas reglas físicas que rigen la vida cotidiana. Para esto son muy importantes el entrelazamiento cuántico y la superposición cuántica, pues desafían al sentido común, ocupando ambientes increíblemente minúsculos.
La superposición cuántica es importante porque permite que el qubit haga dos cosas a la vez, técnicamente. Mientras que las computadoras tradicionales ponen bits en configuraciones de 0 y 1 para calcular pasos, un qubit puede ser 0 y 1 al mismo tiempo. El entrelazamiento cuántico –otra propiedad exclusivamente cuántica- va más allá, entretejiendo las características de dos qubits para permitir más cálculos. De ese modo, los cálculos que una computadora clásica resolvería en el transcurso de una vida humana o más, concluyen en cuestión de días u horas en una computadora cuántica.
Algún día, la computación cuántica podría superar a la supercomputadora más rápida del mundo y después, a todas las computadoras jamás construidas, operando en conjunto. No hemos llegado a ese punto, pero con 50 qubits, la computación cuántica universal alcanzaría ese punto de inflexión y sería capaz de resolver problemas que las computadoras existentes no pueden manejar, dice Jerry Chow, miembro del departamento de computación cuántica experimental de IBM. Agrega que esa compañía pretende construir y distribuir un sistema de 50 qubits “en los próximos años”. Por su parte, Google aspira a terminar un sistema de 49 qubits para fines de 2017.
Algunos expertos no están convencidos de que la incursión de IBM en el mercado comercial sea significativa. Yoshihisa Yamamoto, profesor de física en la Universidad de Stanford, comenta: “Supongo que la computadora cuántica de IBM aún tendrá que recorrer mucho camino antes que su comercialización cambie nuestra vida cotidiana”.
Thomas Vidick, profesor auxiliar de Caltech, señala que la comercialización de la computación cuántica por parte de IBM parece “un poco prematura”, y calcula que pasarán unos 10 a 20 años antes que las aplicaciones comerciales sean de corriente principal. “Son máquinas grandes, pero difíciles de controlar”, explica. “Durante la transformación, hay una enorme sobrecarga para mapear el problema que quieres resolver en un problema que la máquina pueda resolver y que encaje en su arquitectura”.
Pese al escepticismo, muchos investigadores están entusiasmados. “Si bien los sistemas actuales no resolverán un problema computacional que las computadoras normales no pueden resolver, preparar la capa de software con antelación nos ayudará a estar preparados cuando los sistemas sean lo bastante grandes para ser útiles una vez que estén disponibles”, dice Michele Mosca, cofundadora del Instituto para Computación Cuántica de la Universidad de Waterloo, Ontario. “La vida cotidiana empezará a verse afectada cuando construyan computadoras cuánticas de mayor escala y se utilicen para solucionar problemas importantes de diseño y optimización”.
Una compañía llamada D-Wave Systems ya vende sistemas de 2,000 qubits, pero sus sistemas son diferentes de los de IBM y otras formas de computadoras cuánticas universales, así que muchos expertos no consideran que su desarrollo haya alcanzado la meta cuántica final. La máquina de D-Wave Systems es un tipo de computadora cuántica llamada algoritmo del temple cuántico, y está limitada porque solo puede usarse en problemas de optimización. Hay un debate científico candente sobre si los algoritmos del temple cántico podrán usarse eventualmente para desplazar a las supercomputadoras tradicionales; no obstante, este tipo de computadora cuántica es estupenda en un problema nicho y en este momento, no puede expandirse.
¿Cuáles problemas son tan complicados que requieren de una computadora cuántica? Hablemos de la producción de fertilizantes, propone McClean. La producción masiva de fertilizantes consume enormes cantidades de energía, equivalentes a 1 o 2 por ciento anual de la energía mundial. Sin embargo, hay un tipo de cianobacterias que utiliza una enzima para fijar el nitrógeno a temperatura ambiente, eso significa que usan la energía de manera mucho más eficaz que los métodos industriales. “Ha sido muy difícil para los sistemas clásicos, hasta la fecha”, señala McClean, pero agrega que las computadoras cuánticas probablemente podrán revelar los secretos de la enzima, para que los investigadores recreen el proceso sintéticamente. “Es un problema muy interesante, desde el punto de vista de cómo la naturaleza puede llevar a cabo este tipo de catálisis particular”, apunta.
También se beneficiaría la ciencia farmacéutica. Una de las limitaciones para desarrollar mejores medicamentos y más económicos estriba en los problemas que surgen al lidiar con estructuras electrónicas, prosigue McClean. Excepto por las estructuras más simples —como las moléculas con base de hidrógeno—, el estudio del movimiento atómico y subatómico requiere de correr simulaciones computarizadas. Pero hasta eso se viene abajo con moléculas más complejas. “Ni siquiera formulas esas preguntas en una computadora clásica porque sabes que va a equivocarse”, asegura Crowder.
La capacidad de predecir cómo reaccionan las moléculas con otros fármacos, y conocer la eficacia de ciertos catalizadores en el desarrollo de medicamentos, podría acelerar drásticamente el ritmo del desarrollo farmacéutico y, en circunstancias ideales, reducir los precios, señala McClean.
El mundo financiero también está plagado de problemas complicados y con muchas partes móviles, revela Marcos López de Prado, miembro del Departamento de Investigación Computacional del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Sería idóneo utilizar la inteligencia artificial para crear una cartera de inversión capaz de ajustarse a los mercados, o para correr simulaciones con variables múltiples, pero las computadoras todavía no son lo bastante avanzadas para permitir estos métodos. La computación cuántica podría averiguar la manera óptima de reequilibrar carteras día a día (o minuto a minuto) ya que eso “requerirá de un poder de cómputo muy superior al potencial actual de las computadoras digitales”, dice López de Prado. “En vez de consultar con gurús o mirar programas de televisión con nexos en Wall Street, al fin podríamos tener las herramientas necesarias para sustituir las conjeturas con ciencia”.
Si bien las aplicaciones de negocios dentro de la computación cuántica son meras teorías esperanzadoras, hay un área donde los expertos concuerdan en el valor de la cuántica: la optimización.Usar la computación cuántica para crear un programa que “piense” cómo hacer que las operaciones de un negocio sean más rápidas, inteligentes y baratas, podría revolucionar incontables industrias, asegura López de Prado.
Por ejemplo, las computadoras cuánticas podrían usarse para organizar rutas de camiones de reparto, para que los regalos lleguen más pronto durante el periodo de demanda justo antes de Navidad. Podrían controlar miles de vehículos de auto-conducción y organizarlos en la carretera para que todos los conductores lleguen a salvo a su destino por la ruta más rápida. Podrían crear software de traducción automatizada para que las empresas internacionales no sufran demoras traduciendo correos electrónicos. “La optimización es como un martillo genérico que pueden usar con todos esos clavos”, dice McClean.
Llegará el día en que la computación cuántica pueda, incluso, aplicarse en problemas de escala nacional, como optimizar toda la economía de Estados Unidos u organizar la red eléctrica nacional.
Así como las computadoras fueron una gran ventaja para el puñado de empresas que pudieron costearlas cuando llegaron inicialmente al mercado comercial, es posible que unas cuantas compañías puedan aprovechar ahora el uso de la computación cuántica. Por ejemplo, si unos cuantos inversores utilizan la computación cuántica para equilibrar sus carteras, el resto del mercado probablemente perderá dinero. “Pero ¿qué pasa cuando la computación cuántica se vuelve tendencia principal?”, pregunta López de Prado. “Esa desventaja táctica desaparece. Y entonces, todos pueden tomar mejores decisiones de inversión. La gente dependerá de la ciencia y no de cuentos”.
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