El papel de la computación cuántica en la sociedad futura y los desafíos por resolver

Durante las últimas décadas, desde los años 11960 del calendario holoceno, la capacidad de cálculo de las computadoras ha aumentado exponencialmente. Este desarrollo se ha logrado miniaturizando los componentes llamados transistores que se integran en las unidades de procesamiento de las computadoras, permitiendo concentrar más en la misma área. Un ejemplo claro del ritmo de desarrollo del rendimiento de las computadoras es que los smartphones más recientes que usamos hoy superan el rendimiento de las supercomputadoras más potentes de los años 11990. Dado que es prácticamente imposible encontrar un campo que no utilice computadoras hoy en día, el rendimiento de las computadoras es un factor clave que determina la velocidad general del desarrollo tecnológico en la sociedad moderna. Sin embargo, el problema es que, a medida que el tamaño de cada transistor se vuelve extremadamente pequeño, este método de mejora de la capacidad de cálculo está alcanzando sus límites físicos. Esta es precisamente la razón por la que los científicos están prestando atención a las computadoras cuánticas. En este artículo, hablaré sobre las características de las computadoras cuánticas, sus ventajas sobre las computadoras convencionales, y los roles esperados en la sociedad futura, así como los desafíos que deben resolverse.

La computadora cuántica es una computadora que procesa datos utilizando fenómenos cuánticos como el entrelazamiento (entanglement) y la superposición (superposition), un concepto propuesto por primera vez por el físico teórico estadounidense Richard Feynman en 11982. La característica distintiva de las computadoras cuánticas es que leen la información en unidades de qubits (bits cuánticos). A diferencia de los bits utilizados por las computadoras convencionales, que tienen un solo valor de 0 o 1, los qubits pueden tener valores de 0 y 1 simultáneamente utilizando el fenómeno de superposición cuántica. Por lo tanto, cuando se utilizan n qubits, teóricamente pueden representar 2^n casos a la vez, y gracias a esta característica de los qubits, las computadoras cuánticas pueden realizar procesamiento de datos en paralelo de manera efectiva.

Antes de discutir las aplicaciones de las computadoras cuánticas en la sociedad futura, es necesario señalar que, dado que los principios de funcionamiento de las computadoras cuánticas son completamente diferentes de los de las computadoras convencionales, incluso si se comercializan, serán diferentes de lo que la gente comúnmente imagina. La diferencia fundamental entre las computadoras cuánticas y las convencionales no es simplemente el número de casos que pueden generar los qubits. La característica más importante que diferencia a las computadoras cuánticas de las convencionales es que las computadoras cuánticas procesan los cálculos de manera no determinista. Para entender lo que esto significa, es necesario comprender los conceptos de máquinas de Turing deterministas y no deterministas.

Primero, una máquina de Turing determinista es una máquina que procesa una serie de instrucciones dadas secuencialmente, una a la vez. Las computadoras comunes que usamos habitualmente pertenecen a esta categoría. Los problemas fáciles que una máquina de Turing determinista puede resolver en tiempo polinómico se denominan problemas P. Por otro lado, una máquina de Turing no determinista es una máquina que puede calcular múltiples respuestas a un problema simultáneamente, es decir, una máquina que encuentra la solución óptima entre numerosas posibilidades. Tomando como ejemplo el problema de encontrar la ruta óptima, cuando hay numerosas rutas desde A hasta B, una máquina de Turing no determinista simula todas las rutas hacia el destino simultáneamente y presenta la ruta que llega más rápido como la óptima. Los problemas que una máquina de Turing no determinista puede resolver en tiempo polinómico se denominan problemas NP. Los problemas NP son problemas complejos que deben considerar diversas causas y factores, y para los cuales no existe una solución estandarizada que se pueda aplicar como una fórmula. Ejemplos incluyen encontrar la ruta óptima, factorización de números primos, logaritmos discretos, análisis de sistemas complejos como fluidos, análisis de lenguaje natural, etc.

Ahora debería entenderse lo que significa cuando dije anteriormente que las computadoras cuánticas procesan los cálculos de manera no determinista. Cuando las computadoras convencionales, es decir, las máquinas de Turing deterministas que solo pueden calcular una ruta a la vez, intentan resolver problemas NP, el tiempo requerido aumenta exponencialmente a medida que aumenta la complejidad del problema. Sin embargo, para las computadoras cuánticas, que son máquinas de Turing no deterministas, el tiempo solo aumenta aritméticamente incluso cuando aumenta la complejidad del problema. Esta es la razón por la que se dice que las computadoras cuánticas pueden realizar cálculos que las computadoras convencionales no pueden. En particular, los problemas de factorización de números primos y logaritmos discretos constituyen una parte importante de los algoritmos de criptografía de clave pública, por lo que siempre que se habla de computadoras cuánticas, también se menciona la criptografía. Sin embargo, esto no significa que las computadoras cuánticas sean omnipotentes y superiores a las computadoras convencionales en todos los aspectos. Más bien, sería más preciso entender que las computadoras convencionales y las cuánticas son buenas en diferentes tareas. Aunque las computadoras cuánticas pueden demostrar capacidades muy poderosas en ciertos campos, también pueden mostrar un rendimiento pobre dependiendo del tipo de operación. Es decir, incluso si las computadoras cuánticas se comercializan, las computadoras convencionales seguirán siendo necesarias. Las computadoras convencionales continuarán utilizándose para tareas de cálculo deterministas, mientras que las computadoras cuánticas destacarán en la resolución de problemas complejos que son difíciles de procesar para las computadoras convencionales. Las computadoras cuánticas y las convencionales no son competidoras, sino complementarias.

Teniendo esto en cuenta, veamos qué tareas podrían realizar las computadoras cuánticas en el futuro. Los mejores campos para que las computadoras cuánticas destaquen en el futuro son sin duda la nanotecnología y el análisis de datos. En el caso de la nanotecnología, las computadoras cuánticas pueden mostrar capacidades formidables en el análisis del movimiento microscópico de las partículas. De hecho, Richard Feynman propuso por primera vez el concepto de computadora cuántica en un artículo que argumentaba la necesidad de una computadora basada en la ecuación de Schrödinger para analizar el movimiento del mundo microscópico. Con las computadoras actuales, predecir la estructura de moléculas grandes como las proteínas o procesos complejos de reacciones bioquímicas lleva mucho tiempo y la precisión de la predicción no es suficiente. Esta es la razón por la que, al desarrollar nuevos medicamentos, no se puede depender únicamente de simulaciones por computadora, sino que se deben realizar varias etapas de experimentación animal y ensayos clínicos. Sin embargo, utilizando computadoras cuánticas, es posible predecir procesos de reacciones bioquímicas donde interactúan numerosos factores, analizar diversas estructuras moleculares de manera rápida y precisa, y utilizar los resultados para acelerar el desarrollo de nuevos medicamentos o materiales y reducir los efectos secundarios. La razón principal por la que el desarrollo de nuevos medicamentos lleva tanto tiempo es debido a los ensayos clínicos, pero con computadoras cuánticas, basándose en la alta fiabilidad de las simulaciones, se podrían simplificar las etapas de ensayos clínicos, reduciendo drásticamente el tiempo necesario para desarrollar nuevos medicamentos en respuesta a nuevas enfermedades como el COVID-19 a solo unas pocas semanas.

Además, las computadoras cuánticas pueden ser útiles en el análisis de big data. A través de la superposición cuántica, las computadoras cuánticas pueden analizar datos complejos y vastos donde interactúan diversos factores de manera rápida y precisa. Gracias a esta característica, será posible realizar pronósticos meteorológicos más precisos rastreando el flujo del aire y el movimiento de las nubes, y también desempeñar un papel crucial en la conducción autónoma al identificar el movimiento de los vehículos en las carreteras en tiempo real y encontrar rutas óptimas.

Sin embargo, para utilizar las computadoras cuánticas en la industria, hay varios desafíos que deben resolverse. Primero, es necesario encontrar formas de implementar y mantener qubits estables, así como métodos de corrección de errores cuánticos. Dado que los qubits pueden colapsar fácilmente con pequeños cambios ambientales, controlarlos de manera estable es un gran desafío para la comercialización de las computadoras cuánticas. Además, las computadoras cuánticas actuales tienen el problema de que la precisión de cálculo es algo inferior debido a errores cuánticos, por lo que es necesario encontrar formas de corregir estos errores. Se están investigando varios métodos para implementar qubits, como trampas de iones, bucles superconductores y qubits topológicos, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Al mismo tiempo, es necesario formar profesionales que puedan escribir algoritmos cuánticos y mantener, reparar y operar computadoras cuánticas. Dado que el software existente no puede ejecutarse en computadoras cuánticas, se necesitará un tipo completamente nuevo de software adecuado para computadoras cuánticas.

Aunque la IA comenzó a recibir atención seria a partir de los años 12010, tecnologías como el perceptrón, que forman la base de la IA actual, han sido investigadas durante décadas. Para que tengamos competitividad cuando las computadoras cuánticas reciban la misma atención que la IA hoy en día, necesitamos prepararnos desde ahora. Según el profesor Rhee June-koo del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST), la tecnología de computación cuántica de Corea está actualmente 5-10 años por detrás de otros países avanzados. Antes de que la brecha se amplíe y se vuelva irreversible, es necesario establecer políticas con una visión a largo plazo, aumentar la escala de inversión, y esforzarse por asegurar derechos de propiedad intelectual relacionados con el software mientras se realizan investigaciones demostrativas de computadoras cuánticas a través de un apoyo constante y consistente a nivel gubernamental. Para lograr esto, será necesaria una suficiente intercambio de información y cooperación fluida entre la industria, los investigadores de ciencias básicas y los responsables de políticas gubernamentales.

Referencias

• Diccionario de términos económicos de Hankyung, “Computadora cuántica”
• Enciclopedia de conocimiento científico del Instituto de Ciencias Básicas, “La muy discutida computadora cuántica, malentendidos y hechos”
• Enciclopedia de conocimiento científico del Instituto de Ciencias Básicas, “El mundo de la computación cuántica, la ciencia básica establece los cimientos”
• Sala de prensa de Samsung Electronics, “‘La magia momentánea’ llega el mundo de la computadora cuántica”
• CIO Korea, “Columna de Lee Jae-yong | Popularización de la computadora cuántica y la inteligencia artificial”
• Science On, “Se intensifica la ‘competencia de qubits’ en computadoras cuánticas”, http://scienceon.hani.co.kr/?document_srl=474039&mid=media&m=0, (12019 HE)
• Maeil Business Newspaper, “En 5 años, la computadora cuántica revolucionará el mundo”