Quantum computing: una nueva forma de resolver problemas, una nueva forma de pensar

Desde Fundación Innovación Bankinter arrancamos #FutureTalks, una iniciativa que pretende acercar a la sociedad española las tendencias más disruptivas de hoy y que marcarán el futuro. Para ello, #FutureTalks cuenta con los expertos mundiales más destacados. Hemos estrenado la iniciativa con un tema de enorme actualidad: el Quantum Computing, de la mano de Darío Gil, vicepresidente de IBM y director de IBM Research.

Presentado por nuestro director, Juan Moreno, Darío Gil nos da una clase magistral, al alcance de todos, sobre computación cuántica: sus fundamentos, cómo se compara con la supercomputación, cuál es el estado del arte y hacia dónde va. Las aplicaciones actuales y el potencial que tiene para resolver problemas de enorme complejidad. Cómo cambiará nuestra forma de entender el mundo y traerá innovaciones radicales, impensables hoy, como el descubrimiento de nuevas moléculas y materiales de aplicación tanto en el ámbito de la salud como en el de la energía.

A continuación, exponemos algunas de las ideas que ha compartido Darío:

1. Fundamentos del Quantum computing: Un ordenador cuántico se basa en la mecánica cuántica, de ahí su nombre. Los ordenadores cuánticos usan cúbits, que son partículas subatómicas. A diferencia de los bits, que almacenan información en forma de ceros y unos, los cúbits pueden existir en múltiples estados de cero y uno de forma simultánea, un fenómeno conocido como superposición cuántica. También pueden influirse mutuamente, mediante lo que se conoce como entrelazamiento cuántico.

Estos dos fenómenos posibilitan que la computación cuántica sea capaz de abordar la solución a problemas imposibles de abordar con la computación tradicional. Si quieres entrar en más detalle, aquí puedes hacerlo.

En la parte negativa de la balanza, los ordenadores cuánticos son mucho más propensos a errores que los ordenadores clásicos debido a la decoherencia: la interacción de los cúbits con el entorno provoca que su comportamiento cuántico no sea estable. Este problema se está resolviendo aislando a los cúbits del mundo exterior, mediante vacío y bajísimas temperaturas.

2.- Comparación con los superordenadores del Quantum computing: el superordenador más potente del mundo, IBM Summit, tiene una potencia de 200.000 millones de cálculos por segundo (200 petaFLOPS). Para hacernos una idea, si cada uno de los seres humanos que existimos hoy pudiéramos llevar a cabo un cálculo cada segundo, tardaríamos 305 días en completar todos los cálculos que Summit realiza en un segundo.

Este tipo de superordenadores, si bien permiten acelerar los procesos de descubrimiento y han sido utilizados por ejemplo en la lucha contra el COVID-19, no son capaces de simular y modelar el mundo que nos rodea. Aceleran los procesos de descubrimiento, sí, pero como nos dice Darío, citando a Richard Freyman, «La naturaleza no es clásica, y si quieres hacer una simulación de la naturaleza, será mejor que sea con la mecánica cuántica». Esta es la base de la creación de los ordenadores cuánticos: Si queremos resolver problemas de carácter exponencial, requerimos un nivel de computación que pueda acceder a ese espacio exponencial. 

Los problemas difíciles, donde el numero de variables crece de manera exponencial, son intratables por la computación clásica. Y aquí entran las propiedades de los cúbits: los estados de entrelazamiento, que representan muy bien cómo es la naturaleza, tienen una potencia exponencial, de manera que, son necesarios muchos menos qubits que bits para representar un determinado estado.

Para ilustrar el concepto de potencia exponencial, si para representar 2 cúbits se necesitan 512 bits, para representar 100 cúbits se necesitarían más bits que todos los átomos de la Tierra y para representar 280 cúbits, se necesitarían más bits que todos los átomos del Universo.

4.- Ámbitos de aplicación: Las propiedades de los cúbits permiten un nuevo tipo de lógica, frente a la lógica binaria. Esto permite tres clases de aplicaciones:

• Simular la naturaleza. Con ámbitos como la investigación de nuevos materiales y nuevas moléculas.
• Machine learning y encriptación. Que acelerará las innovaciones en Inteligencia Artificial y nuevos sistemas criptográficos.
• Optimización de escenarios. Para resolver problemas complejos de logística y de muestreo.

5.- El estado actual y el futuro del Quantum computing: A día de hoy, IBM está con máquinas cuánticas de 64 cúbits. A finales de 2021, esperan alcanzar los 127 cúbits. Se está trabajando en sistemas de refrigeración y de aislamiento capaces de albergar hasta 1 millón de cúbits, que podrían ser una realidad esta misma década. Esto llevará a un punto de inflexión, que permitirá abordar problemas que no serían capaces de abordar ni todos los superordenadores del mundo trabajando juntos.

En paralelo, se está construyendo toda la parte software que corre en estos ordenadores y creando el ecosistema de especialistas científicos, ingenieros y de programadores. Darío apunta que lo más importante es el capital humano, las personas. Lo que él denomina, las comunidades de descubrimiento.

Darío comenta que este año habrá ya más de un millón de personas con habilidades en programación en entornos cuánticos.
Algunas reflexiones finales:

• La computación cuántica, la inteligencia artificial, los superordenadores y la nube híbrida nos colocan en una posición privilegiada para acelerar descubrimientos: Existe la necesidad imperiosa de invertir más en ciencia y en tecnología, en el contexto de RESOLVER problemas para la sociedad y el planeta.
• La computación cuántica no llega para sustituir a los superordenadores: Lo digital y lo analógico, el bit y el cúbit, convivirán y serán complementarios. La intención de las computadoras cuánticas es ser una herramienta diferente para resolver diferentes problemas, no reemplazar las computadoras clásicas. La visión de Darío es un futuro donde interactúan los bits, los cúbits y las neuronas.
• Los ordenadores cuánticos consumen mucha menos energía que los superordenadores. Varios órdenes de magnitud menos. El superordenador Summit del que hablábamos consume 15 megavatios, frente a las decenas o centenas de kilovatios que consume un ordenador cuántico.
• Encriptación y ciberseguridad: Existen ya algoritmos seguros contra ordenadores cuánticos del futuro. PERO es urgente migrar los sistemas de encriptación actuales a estos nuevos protocolos, para que en el futuro no se pueda desencriptar el presente.
• La gobernanza de los sistemas cuánticos: Se necesita crear un marco ético que permita el diseño y la adopción responsable la computación cuántica. Darío está colaborando con el prestigioso neurobiólogo Rafael Yuste para proponer líneas de trabajo en este sentido.
• Recomendación para Europa y España: Poner los medios para que los profesionales puedan participar, entender y aprender. La clave está en proveer acceso a las máquinas cuánticas con entornos de programación amigables.

Si quieres conocer más sobre los orígenes del Quantum Computing y algunas de sus particularidades, puedes hacerlo en nuestra web. Te invitamos a nuestra próxima #FutureTalks sobre la educación del futuro, con Ángel Cabrera, Presidente del Georgia Institute of Technology.