Saltar al contenido principal

Señales

Computación cuántica

La próxima generación de tecnología informática

El advenimiento de la computación cuántica representa la próxima gran transformación tecnológica, que impulsará cambios económicos y sociales integrales. A continuación presentamos 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 clásica 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 según una lógica binaria (es 0 o 1, encendido o apagado), 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 le da al control de calidad su poder. Cuando dos o más qubits están entrelazados, actúan como un solo sistema, como engranajes enredados en una caja de cambios, de modo que un cambio en un qubit cambia todos los demás con los que está entrelazado. Esto significa que una sola operación puede afectar simultáneamente los estados de muchos qubits.

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

Podría haber entre 2.000 y 5.000 ordenadores cuánticos en todo el mundo en 2030. En 2018 había menos de una docena.

Computadoras exponencialmente más potentes

1 computadora cuántica 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 la computación clásica puede resolver.

Un ordenador cuántico de 1.000 qubits (cuya llegada se prevé dentro de 2 o 3 años) sería capaz de funcionar con 10³⁰¹ (es decir, un 1 seguido de 301 ceros) “estados de información” diferentes de forma simultánea.

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

Dos arquitecturas, dos marcos temporales

Los recocidos cuánticos están especializados para tareas de optimización. Una aerolínea podría usar una computadora de este tipo para preparar un programa óptimo de rutas de aeronaves, que minimice el uso de combustible y al mismo tiempo 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 utilizará 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 en práctica. Los sistemas superconductores suelen operar a temperaturas muy bajas, cercanas al cero absoluto, para crear las condiciones adecuadas para la 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 QKD y permitirán tanto una mejor 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 que dos partes produzcan una clave secreta aleatoria compartida que sólo ellas conocen y que luego puede utilizarse para cifrar y descifrar mensajes. Promete ser invulnerable al espionaje o a los ataques del tipo "man-in-the-middle".

sensor cuántico

Un dispositivo que funciona detectando variaciones en la microgravedad utilizando los principios de la física cuántica, que se basa en la manipulación de la naturaleza a nivel submolecular. La detección cuántica utiliza 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 evadir el principio de incertidumbre.

cúbits de iones cuánticos

Las trampas de iones cuánticos son otra plataforma tecnológica que se utiliza para desarrollar computadoras cuánticas. Se trata del uso de 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 y se basa 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 utilizan 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 dependen de pulsos de luz y de la polarización de la luz para crear sus qubits. A diferencia de la mayoría de las otras tecnologías de qubits, tienen la ventaja de operar a temperatura ambiente, pero tienden a trabajar mucho más lento que los qubits superconductores. Xanadu es la empresa líder que aplica un enfoque basado en la fotónica para el control de calidad.

Criptografía postcuántica (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 empresas que necesitan control de calidad no poseen sus propias computadoras. La idea de contar con computadoras cuánticas locales actualmente no es práctica por varias razones clave:

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

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

Actualmente existen dos enfoques para la provisión de QC en la nube:

Pros y contras de los dos 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 empresa más importante que sigue este enfoque y ofrece control de calidad a través de su red IBM Q.

Fortalezas

Integración más estrecha entre la plataforma en la nube existente del proveedor y la plataforma cuántica. Reducción de la latencia de la red entre una plataforma en la nube clásica y la plataforma cuántica, lo que será una ventaja para las aplicaciones de baja latencia (como la detección de fraude).

Debilidades

Selección limitada de opciones de back-end de computación cuántica

Potencial para modelos comerciales más restrictivos

Peligro de dependencia del proveedor

Nube pública

En este enfoque, los principales servicios en la nube brindan acceso a 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 hay más en desarrollo. Microsoft Azure Quantum ofrece acceso a Quantinuum, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO y Toshiba SQBM+.

Fortalezas

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

Proporciona una vía de acceso sencilla 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 en la red y las colas

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

 

 

En el futuro, los proveedores de la nube pueden alojar dispositivos cuánticos en sus centros de datos junto con su hardware de CPU y GPU tradicional, minimizando así los efectos de latencia y permitiendo una nueva clase de aplicaciones híbridas cuánticas-clásicas de alto rendimiento y baja latencia, como la detección de fraude 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 generalmente proporciona sus propias API para respaldar sus dispositivos o servicios.

Algunos proveedores, como IonQ, han decidido respaldar 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 que los algoritmos cuánticos escritos en Qiskit para una máquina cuántica de IBM, por ejemplo, se puedan trasladar más fácilmente para ejecutarse en un dispositivo IonQ.

En el futuro veremos una pequeña cantidad de API estandarizadas, proporcionadas o exigidas por los grandes proveedores de tecnología y de la nube (IBM, Amazon, Microsoft), a partir de las cuales los proveedores de hardware de computación cuántica construirán.

Aplicaciones en servicios financieros

En su esfuerzo por alcanzar el liderazgo en QC, las instituciones financieras probablemente descubrirán que el desarrollo y la retención de habilidades y talentos 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 productos, mientras que los rezagados verán erosionados estos aspectos de su negocio.

Si bien no esperamos que las computadoras cuánticas sean lo suficientemente potentes como para descifrar los criptosistemas actuales basados en PKI durante al menos 10 a 12 años, hay mucho trabajo por hacer para prepararlas 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 a las computadoras y los investigadores tendrán acceso a combinaciones químicas que la informática convencional tardaría décadas en idear.

Ciberseguridad

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

Logística

QC transformará nuestras cadenas de suministro al manejar grandes cantidades de datos de una complejidad sin precedentes relacionados con la capacidad de fabricación, la geografía y la infraestructura, los patrones climáticos, el enrutamiento, la capacidad de las rutas ferroviarias y de navegación, y más.

Automotor

QC se acercará a un ecosistema de vehículos autónomos viable. La inteligencia artificial y el aprendizaje automático impulsados por la energía 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, graficar el cambio climático, predecir cómo afectará el desarrollo urbano a las emisiones, pronosticar el crecimiento de la población 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

Diversos proveedores de hardware están creando sus propias computadoras cuánticas, utilizando una gama 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 varios proveedores de software cuántico puro. Entre ellos:

Crecimiento del mercado de control de calidad

2016

89 millones de dólares

mercado global de la computación cuántica

2025

949 millones de dólares

Mercado global de computación cuántica (proyectado)

30% CAGR de 2017 a 2025

Gran potencial por delante

Los ordenadores cuánticos serán apropiados para ciertas tareas. En el corto plazo, las computadoras cuánticas serán excelentes para resolver problemas numéricos complejos y coexistirán con las computadoras clásicas existentes para hacer posible sistemas híbridos cuántico-clásicos. La hibridez es importante porque, mientras que la computación clásica ofrece resultados claros y concisos, las computadoras cuánticas ofrecen resultados en distribuciones de probabilidad, generando conjuntos de respuestas que luego pueden requerir una selección mediante computadoras clásicas. Más 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, proteger 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 importantes en los niveles social y económico: al igual que la informática clásica, la CC transformará por completo nuestro modo de vida. Pero la historia aún está por escribirse, y las próximas décadas serán testigos de lo que nuestras mejores mentes pueden hacer con esta nueva y poderosa herramienta.