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¿Qué cambiará exactamente la computación cuántica?

¿Qué cambiará exactamente la computación cuántica?

En enero pasado, IBM anunció en el Consumer Electronics Show en Las Vegas que estaban presentando la primera computadora cuántica integrada del mundo para fines comerciales y de investigación, que estará disponible a finales de este año. Esto impulsó la cobertura de prensa, generalmente sin aliento, sobre cómo las computadoras cuánticas van a cambiar todo. La verdad es que no estamos realmente seguros de qué cambiará la computación cuántica, pero eso no significa que sea todo un bombo. Puede que no "cambie todo", pero es probable que nada no se vea afectado, aunque sea indirectamente.

¿Qué es la computación cuántica y qué hace?

La computación cuántica es cuando una computadora usa la superposición cuántica de partículas para almacenar datos como lo hace un bit en una computadora clásica. Los qubits, como se les llama, existen en un estado indeterminado inclusivamente limitado por 1 y 0. Esto significa que pueden ser 1, 0 o ambos 1 y 0 porque el universo aún no ha decidido cuál quiere ser.

Esto nos permite realizar varios cálculos a la vez explotando las superposiciones de estos qubits, abriendo la puerta a la resolución de clases de problemas que podrían requerir cientos, si no miles de años, para resolverse utilizando una computadora clásica.

Sin embargo, hay una trampa. La computación cuántica es algo excepcionalmente delicado ya que mantener una partícula cuántica suspendida en una superposición solo se puede hacer durante unos 100 microsegundos. También necesita temperaturas extremadamente frías y superconductores, no exactamente cosas que van a caber en tu iPhone. Este tipo de hardware hace que las computadoras cuánticas sean equipos altamente especializados que solo son realmente prácticos para tareas muy específicas en este momento, como el modelado de predicciones y problemas de optimización en sistemas complicados con una gran cantidad de variables.

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E incluso entonces, inicialmente será necesario racionar su uso durante un tiempo, como solían ser los viejos UNIVAC. Los CDC usarán computadoras cuánticas para modelar la próxima temporada de gripe, por lo que los hospitales locales que no son centros de investigación importantes tendrán que esperar en el medio hacia el final de una fila muy larga hasta que terminen. Eso es a menos que Goldman Sachs aparezca necesitando hacer un pronóstico financiero antes de llegar a la cabeza de la fila.

Entonces, ¿qué cambiará con la computación cuántica?

En primer lugar, lo único que sabemos con certeza es que el cifrado RSA moderno es un brindis. El cifrado RSA se basa en la imposibilidad práctica de que una computadora clásica encuentre los factores primos correctos de un entero muy grande, como el tipo grande de 500 dígitos. Esto podría llevar cientos de años utilizando nuestros algoritmos más eficientes en una computadora clásica, y miles de años si solo intentara usar la fuerza bruta para obtener una respuesta.

La razón por la que esto se puede resolver con una computadora cuántica es que Peter Shor ya lo resolvió en 1994. Sin embargo, el algoritmo de Shor, como se llama su solución, necesita una computadora cuántica suficientemente poderosa para poder romper el cifrado RSA, y uno aún no existe. Pronto lo hará, y la forma en que aseguramos los datos será tan efectiva como usar un cierre de gancho y bucle en la puerta de entrada para proteger su hogar. Tendremos que inventar una forma completamente diferente de asegurar todos nuestros datos existentes, eso es lo que sabemos.

En cuanto a las cosas que pensar La computación cuántica cambiará, el primer candidato es la forma en que organizamos los sistemas de nivel macro como la infraestructura de telecomunicaciones y las carreteras. Cómo hacer que estos sistemas estén equilibrados de manera óptima entre costo y utilidad es un ejemplo del tipo de problema que las computadoras cuánticas podrían resolver gracias a la superposición cuántica de qubits.

El mismo problema de optimización afecta a la cadena de suministro global, y esto no es poca cosa. El sector del transporte desperdicia una cantidad indescriptible de dinero (estamos hablando de posiblemente cientos de miles de millones de dólares aquí) debido a los tipos de ineficiencias ocultas que identificará la optimización.

Y es probable que no solo los gobiernos y las empresas se beneficien de la computación cuántica, sino que la medicina, la astronomía y otras ciencias son excelentes candidatos para los avances transformadores. Los astrónomos que buscan exoplanetas tienen montañas de petabytes de datos que deben procesarse para obtener información científicamente relevante de ellos, y este es el tipo de procesamiento de datos que creemos que la computación cuántica cambiará de manera transformadora.

En medicina, la computación cuántica posiblemente puede acelerar el ritmo de los avances médicos a un ritmo increíble al procesar los tipos de problemas de múltiples variables que hacen que la investigación en estos campos sea un desafío. Al explotar la superposición cuántica de qubits para modelar los tipos de análisis utilizados al investigar enfermedades y desarrollar nuevos medicamentos, podríamos descubrir todo tipo de nuevos medicamentos y tratamientos en los que nadie hubiera pensado nunca.

El desarrollo más significativo podría estar en la física, donde los investigadores que exploran la superconductividad esperan usar algún día la computación cuántica para identificar un material que sea superconductor a temperatura ambiente mediante el uso de qubits para modelar diferentes compuestos y probar sus características.

Si se encuentra tal superconductor, entonces ese será cambiar todo, honestamente. Nos permitiría eliminar la pérdida de energía de la transmisión de electricidad y transformar nuestra red energética, reduciendo la generación de energía necesaria para alimentar todo a una fracción de lo que es hoy. Si reducimos lo suficiente nuestros requisitos de energía y podríamos alimentar al mundo con energía renovable muy, muy pronto.

Entonces, ¿qué no pueden hacer las computadoras cuánticas?

La fuerza de la computación cuántica está en las superposiciones de sus qubits. Sin embargo, lo que hagamos con esos datos no se verá ayudado por la computación cuántica en absoluto, al menos no de ninguna manera que podamos ver ahora. Una computadora cuántica no “ejecutará un programa” como lo hacen nuestras computadoras hoy; Las computadoras cuánticas tendrían que ejecutar las instrucciones de un programa línea por línea, como lo haría una computadora clásica. La superposición generalmente no ayuda a que esto sea más rápido.

Es concebible que después de que físicos y químicos descubran un superconductor a temperatura ambiente, podrían hacerse lo suficientemente pequeños para caber en servidores de red o computadoras domésticas, pero si alguna vez usamos la computación cuántica en nuestras tareas informáticas diarias, es más probable que nuestra computadora clásica llegó a un punto en un programa que requiere el tipo de tarea que se maneja mejor con una computadora cuántica, como la factorización de un número entero, y se conectaría a una computadora cuántica basada en la nube para procesar este problema y obtener un resultado , o use un chip cuántico incorporado, una QPU, para resolverlo de la misma manera que el procesamiento de gráficos en alta mar de la CPU actual en la GPU.

Los aumentos de rendimiento de un millón de veces que algunos anticipan, aunque en realidad solo sucederán en programas mal escritos que se atascan repetidamente al realizar algoritmos innecesariamente complejos que se pasan a una QPU. Ningún programa bien escrito va a implementar un algoritmo de factorización de fuerza bruta en ningún programa que podamos ejecutar en nuestro día a día.

Simplemente no conocemos los límites de los algoritmos cuánticos

Dicho esto, nadie pensó que el Mark 1 o el UNIVAC se convertirían en algo más que en una calculadora del tamaño de una habitación. No pudieron predecir los tipos de usos que se darían a esos cálculos.

Hoy, estamos construyendo calculadoras cuánticas del tamaño de una habitación y eso es todo lo que realmente podemos verlas; Algún día, alguien nos mostrará cómo estábamos pensando demasiado pequeños. Después de todo, no fue hasta que los desarrolladores del lenguaje BASIC incluyeron un comando INPUT durante la tercera revisión del lenguaje que nadie se dio cuenta de que ahora podían escribir un programa que funcionara como un juego y ejecutarlo en una computadora central.

Incluso los videojuegos más avanzados o solo 1 y 0. Los algoritmos y los dispositivos de E / S como monitores y teclados hacen que esos 1 y 0 sean más que simples cálculos.

En última instancia, es demasiado pronto para saber algo con certeza sin parecer un idiota dentro de 10 años. Los científicos informáticos y matemáticos teóricos, que a menudo desarrollan los algoritmos que se incorporan a los programas que usamos en nuestra vida diaria, recién ahora están comenzando a explorar qué tipos de algoritmos cuánticos pueden ejecutarse en una computadora cuántica. Después de que los desarrollen, dependerá de otros implementar esos nuevos algoritmos cuánticos en diferentes tipos de programación.

Lo que podemos decir, sin embargo, es que las cosas será cambio con la computación cuántica y el posterior desarrollo de algoritmos cuánticos avanzados y que este cambio llegará pronto.


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