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Señales

Computación cuántica

La próxima generación de tecnología informática

El advenimiento de la computación cuántica representa la próxima gran transformación tecnológica, impulsando cambios económicos y sociales integrales. Aquí tenéis una breve introducción a lo que se espera de esta tecnología.

La próxima generación de tecnología informática

La computación cuántica (QC) es la próxima generación de tecnología informática, que aprovecha la física cuántica.

Mientras que la computación tradicional se basa en el bit, su unidad básica, la computación cuántica se basa en el qubit, o cualquier valor entre qubits, o cualquier combinación de ellos.

Mientras que un bit existe de acuerdo con una lógica binaria, es 0 o 1, apagado o encendido, un qubit puede existir tanto en el estado 0 como en el estado 1 al mismo tiempo, en un fenómeno conocido como "superposición".

El “entrelazamiento” es otro fenómeno fundamental que otorga poder a la computación cuántica. Cuando dos o más qubits están entrelazados, actúan como un único sistema, de forma muy parecida a los engranajes de una caja de cambios, de modo que un cambio en un qubit afecta a todos los demás con los que está entrelazado. Eso significa que una sola operación puede afectar simultáneamente los estados de muchos qubits.

El resultado es un nuevo tipo de computación sorprendentemente más poderosa.

Podría haber entre 2.000 y 5.000 computadoras cuánticas en todo el mundo para 2030. En 2018 había menos de una docena.

Computadoras que son exponencialmente más poderosas

1 Quantum Computer puede resolver un problema que requeriría un clúster de 512 GPU

El control de calidad tiene el potencial de resolver problemas que son exponencialmente más complejos que los que puede resolver la computación tradicional.

Una computadora cuántica de 1,000 qubits (que se prevé que llegue en 2-3 años) podría operar en 10³ ⁰ (es decir, un 1 seguido de 301 ceros) diferentes de los llamados "estados de información" simultáneamente.

Un "estado" en este contexto significa una posible solución a un problema dado. La mayoría de las soluciones posibles van a ser incorrectas, por lo que cuantos más estados podamos explorar, mayores serán nuestras posibilidades de encontrar la mejor solución.

Dos arquitecturas, dos marcos de tiempo

Los recocidos cuánticos están especializados para tareas de optimización. Una aerolínea podría usar una computadora de este tipo para preparar un horario óptimo de rutas de aviones, uno que minimice el uso de combustible y garantice que se cumplan todos los horarios de los pasajeros.

Comenzarán a tener un impacto comercial en 2-5 años

 

Las computadoras cuánticas basadas en puertas son universales, lo que significa que podrán calcular una amplia gama de problemas. En el futuro, una compañía farmacéutica usará uno para simular nuevos compuestos farmacológicos, explorando los efectos de millones de ellos sin tener que sintetizarlos y probarlos.

Comenzarán a tener un impacto comercial en 7-10 años

Tecnologías cuánticas

cúbits superconductores

Una de las plataformas tecnológicas líderes para el desarrollo de computadoras cuánticas. IBM, Google, D-Wave y otros lo están poniendo a trabajar. Los sistemas superconductores suelen operar a temperaturas muy bajas, cercanas al cero absoluto, para crear las condiciones adecuadas de computación cuántica.

Redes cuánticas

Las redes cuánticas permiten la transmisión de información cuántica entrelazada a través de canales de comunicación. Son una de las tecnologías habilitadoras detrás de la QKD y permitirán tanto una mayor seguridad como un mayor ancho de banda.

Distribución de claves cuánticas (QKD)

Un método de comunicación seguro que implementa un protocolo criptográfico que involucra componentes de la mecánica cuántica. Permite a dos partes producir una clave secreta aleatoria compartida que solo ellos conocen, una clave que luego se puede usar para cifrar y descifrar mensajes. Promete ser invulnerable a los ataques de espionaje o "hombre en el medio".

Sensor cuántico

Un dispositivo que funciona detectando variaciones en la microgravedad empleando los principios de la física cuántica, que se basa en la manipulación de la naturaleza a nivel submolecular. La detección cuántica emplea propiedades de la mecánica cuántica, como el entrelazamiento cuántico, la interferencia cuántica y la compresión del estado cuántico, para superar los límites actuales en la tecnología de sensores y eludir el principio de incertidumbre.

Qubits de iones cuánticos

Las trampas de iones cuánticos son otra plataforma tecnológica que se emplea para desarrollar computadoras cuánticas. Implica el uso de la fuerza electromagnética para confinar iones en el espacio libre. lonQ es el principal defensor de este enfoque.

Arquitecturas de recocido

Una arquitectura de recocido es más simple, basada en la idea de encontrar el estado de energía más bajo en el sistema cuántico. Este estado de energía más bajo corresponde a la solución óptima de un problema de optimización.

arquitecturas de puertas

Las arquitecturas de puertas emplean el equivalente cuántico de las puertas lógicas que sirven como bloques de construcción de las unidades centrales de procesamiento basadas en silicio. Dado ese hecho, una computadora cuántica basada en puertas puede, al menos en teoría, calcular el mismo conjunto de problemas que una computadora tradicional.

Fotónica

Los sistemas fotónicos se basan en pulsos de luz y polarización de luz para crear sus qubits. A diferencia de la mayoría de las otras tecnologías de qubits, tienen el beneficio de funcionar a temperatura ambiente, pero tienden a funcionar mucho más lentamente que los qubits superconductores. Xanadu es la compañía líder que persigue un enfoque de control de calidad basado en fotónica.

Criptografía poscuántica (PQC)

La criptografía poscuántica es el término colectivo para los nuevos enfoques de cifrado de clave pública que son resistentes a las computadoras cuánticas. El proceso de selección de algoritmos PQC está siendo gestionado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). La mayoría de las grandes organizaciones están siguiendo el ejemplo del NIST.

Computación cuántica en la nube

Hardware

Por lo general, las compañías que necesitan control de calidad no poseen sus propias computadoras. La idea de los equipos cuánticos locales no es práctica actualmente, por varias razones clave:

  • Los dispositivos cuánticos son caros
  • Su funcionamiento es complejo y, por lo tanto, costoso
  • Dada la frecuencia con la que los dispositivos cuánticos reciben actualizaciones de sus fabricantes, uno individual se volvería obsoleto rápidamente

En cambio, los usuarios finales de computadoras cuánticas acceden a ellas a través de servicios en la nube.

Actualmente existen dos enfoques para el aprovisionamiento de QC en la nube:

Beneficios y desventajas de ambos enfoques

Nube propietaria

En este enfoque, los proveedores ofrecen acceso a sus propios dispositivos de control de calidad a través de sus propios servicios en la nube. IBM es la compañía más importante que sigue este enfoque, ofreciendo control de calidad a través de su IBM Q Network.

Fortalezas

Integración más estrecha entre la plataforma en la nube existente del proveedor y la plataforma cuántica Latencia de red reducida entre una plataforma en la nube tradicional y la plataforma cuántica, lo que será un beneficio para las aplicaciones de baja latencia (como la detección de fraudes)

Debilidades

Selección limitada de opciones de back-end para computación cuántica

Potencial para modelos comerciales más restrictivos

Peligro de dependencia del proveedor

Nube pública

En este enfoque, los principales servicios en la nube proporcionan acceso a los dispositivos de control de calidad de proveedores externos. Amazon Braket, por ejemplo, ofrece acceso a D-Wave, rigetti, Oxford Quantum Circuits, IonQ y Xanadu, y próximamente se agregarán más. Microsoft Azure Quantum ofrece acceso a Quantinuum, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO y Toshiba SQBM+.

Fortalezas

Emplea los servicios de acceso y facturación existentes del proveedor de la nube, y servicios compartidos similares

Proporciona una rampa de acceso fácil para acceder a las computadoras cuánticas, generalmente con un modelo de "pago por uso"

Proporciona acceso a una amplia variedad de computadoras cuánticas, lo que permite la comparación entre plataformas y la identificación del dispositivo apropiado para el problema en cuestión

Debilidades

Tendencia hacia una mayor latencia en el acceso al dispositivo cuántico debido a los viajes de ida y vuelta de la red y las colas

Esto, a su vez, genera problemas en aplicaciones como la detección de fraude y el trading de alta frecuencia, que tienen requisitos de tiempo real o baja latencia, hasta el punto de que dichas aplicaciones pueden no ser prácticas.

 

 

En el futuro, los proveedores de servicios en la nube podrían alojar dispositivos cuánticos en sus centros de datos junto con su hardware tradicional de CPU y GPU, minimizando así los efectos de latencia y habilitando una nueva clase de aplicaciones híbridas cuántico-tradicionales de alto rendimiento y baja latencia, como la detección de fraudes y el comercio de alta frecuencia.

Software/API

Las API y los SDK asociados tienden a ser de código abierto y, con algunas excepciones, están escritos en el lenguaje de programación Python.

Cada proveedor líder de control de calidad suele proporcionar sus propias API para dar soporte a sus dispositivos o servicios.

Algunos proveedores, como IonQ, decidieron dar soporte a las API de otros proveedores en lugar de desarrollar sus propias API propietarias. IonQ, por ejemplo, es compatible con Qiskit de IBM y Cirq. Este enfoque permite, por ejemplo, que los algoritmos cuánticos escritos en Qiskit para una máquina cuántica de IBM se puedan portar más fácilmente para ejecutar en un dispositivo IonQ.

En el futuro veremos un número reducido de API estandarizadas, proporcionadas o exigidas por los grandes proveedores de tecnología/nube (IBM/Amazon/Microsoft), sobre las que se basarán los fabricantes de hardware de computación cuántica.

Aplicaciones en servicios financieros

En su afán por alcanzar el liderazgo en control de calidad, es probable que las instituciones financieras descubran que el desarrollo y la retención de habilidades y talento se convertirán en un campo de batalla clave. Los líderes en la aplicación de tecnologías cuánticas verán crecer significativamente su seguridad, eficiencia operativa y efectividad de producto, mientras que los rezagados verán erosionados estos aspectos de su negocio.

Si bien no esperamos que las computadoras cuánticas sean lo suficientemente poderosas como para descifrar los criptosistemas actuales basados en PKI durante al menos 10-12 años, hay un trabajo significativo por hacer para prepararlos para contrarrestar las amenazas cuánticas.

Un efecto catalizador en otros sectores

El control de calidad tiene aplicaciones potencialmente transformadoras en una variedad de otras áreas.

Descubrimiento de fármacos

La computación cuántica mejorará el proceso de descubrimiento de fármacos al acelerar la identificación y simulación de moléculas. Trasladará los experimentos de los laboratorios húmedos a las computadoras y los investigadores tendrán acceso a combinaciones químicas que la computación convencional tardaría décadas en diseñar.

Ciberseguridad

Las computadoras cuánticas amenazan la columna vertebral de seguridad de las redes actuales: criptografía de clave pública RSA. Pero la tecnología cuántica también permitirá formas de comunicación nuevas y aún más seguras.

Logística

El control de calidad transformará nuestras cadenas de suministro al gestionar cantidades de datos de una complejidad sin precedentes, relacionados con la capacidad de fabricación, la geografía y la infraestructura, los patrones climáticos, las rutas, la capacidad de las vías férreas y marítimas, y mucho más.

Automotor

QC se acercará a un ecosistema de vehículos autónomos viable. La IA y el aprendizaje automático impulsados por la cuántica acelerarán el proceso de aprendizaje de los algoritmos necesarios. La clasificación de imágenes y la detención de objetos 3D también se beneficiarán del control de calidad.

Simulación

QC proporcionará nuevas capacidades en el modelado de la realidad. Podremos prever mejor los fenómenos meteorológicos extremos, analizar el cambio climático, predecir cómo afectará el desarrollo urbano a las emisiones, pronosticar el crecimiento demográfico y mucho más.

A medida que el control de calidad gane terreno, naturalmente veremos aparecer casos de uso en numerosos sectores.

TECNOLOGÍA EMERGENTE

Los jugadores en QC en este momento

Una variedad de proveedores de hardware están creando sus propias computadoras cuánticas, empleando una variedad de diferentes fenómenos físicos subyacentes e implementando enfoques universales basados en puertas y el enfoque de recocido cuántico. Estos incluyen:

Además de los proveedores de hardware, cada uno de los cuales suele ofrecer sus propias bibliotecas de software (por ejemplo, IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), también hay un serial de proveedores de software cuántico puros. Entre ellos:

Crecimiento del mercado de control de calidad

2016

$89 millones

mercado global de computación cuántica

2025

$949 millones

Mercado global de computación cuántica (proyectado)

30% CAGR de 2017 a 2025

Gran potencial por delante

Las computadoras cuánticas serán apropiados para ciertas tareas. A corto plazo, las computadoras cuánticas sobresaldrán en la resolución de problemas numéricos complejos y coexistirán con las computadoras tradicionales existentes para permitir sistemas híbridos cuánticos-tradicionales. La hibridez es importante, porque mientras que la computación tradicional ofrece resultados cortados y secos, las computadoras cuánticas entregan resultados en distribuciones de probabilidad, generando conjuntos de respuestas que luego pueden requerir aventar usando computadoras tradicionales. Más adelante en el futuro, el control de calidad tiene el potencial de ser transformador. Hará enormes mejoras en ciertas esferas, dándonos los medios para crear nuevos medicamentos revolucionarios, optimizar el funcionamiento de nuestros mercados financieros, cerciorar nuestras redes, comprender sistemas complejos, desde las ecologías de la tierra hasta las redes globales de oferta y demanda, y más. En cuanto a sus efectos máximos, el horizonte está abierto. Se avecinan cambios significativos a nivel social y económico: al igual que la computación tradicional, el control de calidad será completamente transformador en términos de cómo vivimos. Pero la historia aún está por escribir, y las próximas décadas serán testigos de lo que nuestras mejores mentes pueden hacer con esta nueva y poderosa herramienta.