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Al lado de un pequeño laboratorio en un exuberante campo a unas 50 millas al norte de la ciudad de Nueva York, una elaborada maraña de tubos y aparatos electrónicos cuelga del techo. Este lío de equipos es una computadora. No cualquier computadora, sino una que está a punto de aprobar lo que, quizás, pueda considerarse como uno de los hitos más importantes en la historia del campo.

Las computadoras Quantum prometen ejecutar cálculos más allá del alcance de cualquier supercomputadora convencional. Podrían revolucionar el descubrimiento de nuevos materiales al hacer posible simular el comportamiento de la materia hasta el nivel atómico. O podrían poner fin a la criptografía y la seguridad al descifrar códigos que de otra manera serían invencibles. Incluso existe la esperanza de que mejoren la inteligencia artificial al analizar datos de manera más eficiente.

Sin embargo, solo ahora, después de décadas de progreso gradual, los investigadores finalmente están cerca de construir computadoras cuánticas lo suficientemente poderosas como para hacer cosas que las computadoras convencionales no pueden. Es un hito, en cierto modo teatralmente denominado "supremacía cuántica". Google ha estado liderando la carga hacia este hito, mientras que Intel y Microsoft también tienen importantes esfuerzos cuánticos. Y luego hay startups bien financiadas que incluyen Rigetti Computing, IonQ y Quantum Circuits.

Sin embargo, ningún otro contendiente puede igualar el pedigrí de IBM en esta área. A partir de hace 50 años, la compañía produjo avances en la ciencia de los materiales que sentaron las bases de la revolución informática. Por eso, en octubre pasado, me encontré en el Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM para tratar de responder estas preguntas: ¿Para qué servirá una computadora cuántica? ¿Y se puede construir uno práctico y confiable?

Computadora quantica

¿Por qué pensamos que necesitamos una computadora cuántica?

El centro de investigación, ubicado en Yorktown Heights, se parece un poco a un platillo volador como se imaginó en 1961. Fue diseñado por el arquitecto neo-futurista Eero Saarinen y se construyó durante el apogeo de IBM como fabricante de grandes máquinas comerciales de mainframe. IBM era la compañía de computadoras más grande del mundo y, a una década de la construcción del centro de investigación, se había convertido en la quinta compañía más grande del mundo, justo detrás de Ford y General Electric.

Si bien los pasillos del edificio dan al campo, el diseño es tal que ninguna de las oficinas en el interior tiene ventanas. Fue en una de estas habitaciones enclaustradas donde conocí a Charles Bennett. Ahora en sus 70 años, tiene grandes patillas blancas, usa calcetines negros con sandalias, e incluso lleva un protector de bolsillo con bolígrafos. Rodeado de viejos monitores de computadora, modelos de química y, curiosamente, una pequeña bola de discoteca, recordó el nacimiento de la computación cuántica como si fuera ayer.

La brecha entre el sueño y la realidad.

La máquina IBM explota fenómenos cuánticos que ocurren en materiales superconductores. Por ejemplo, a veces la corriente fluirá hacia la derecha y hacia la izquierda al mismo tiempo. La computadora de IBM utiliza circuitos superconductores en los que dos estados distintos de energía electromagnética forman un qubit.

El enfoque superconductor tiene ventajas clave. El hardware se puede hacer utilizando métodos de fabricación bien establecidos, y se puede usar una computadora convencional para controlar el sistema. Los qubits en un circuito superconductor también son más fáciles de manipular y menos delicados que los fotones o iones individuales.

Dentro del laboratorio cuántico de IBM, los ingenieros están trabajando en una versión de la computadora con 50 qubits. Puede ejecutar una simulación de una computadora cuántica simple en una computadora normal, pero a unos 50 qubits se vuelve casi imposible. Eso significa que IBM se está aproximando teóricamente al punto en que una computadora cuántica puede resolver problemas que una computadora clásica no puede: en otras palabras, la supremacía cuántica.

Pero como los investigadores de IBM le dirán, la supremacía cuántica es un concepto difícil de alcanzar. Necesitaría todos los 50 qubits para funcionar perfectamente, cuando en realidad las computadoras cuánticas están plagadas de errores que deben corregirse. También es diabólicamente difícil mantener los qubits durante cualquier período de tiempo; tienden a "decohere", o pierden su delicada naturaleza cuántica, al igual que un anillo de humo se rompe a la menor corriente de aire. Y cuantos más qubits, más difíciles se vuelven los dos desafíos.

"Si tuviera 50 o 100 qubits y realmente funcionaron lo suficientemente bien, y se corrigió completamente con errores, podría hacer cálculos insondables que no se pueden replicar en ninguna máquina clásica, ni ahora ni nunca", dice Robert Schoelkopf, profesor de Yale. y fundador de una empresa llamada Quantum Circuits. "La otra cara de la computación cuántica es que hay formas exponenciales para que salga mal".

Otro motivo de precaución es que no es obvio lo útil que sería una computadora cuántica perfectamente funcional. No se limita a acelerar cualquier tarea que le lances; de hecho, para muchos cálculos, en realidad sería más lento que las máquinas clásicas. Solo unos pocos algoritmos han sido diseñados hasta ahora donde una computadora cuántica claramente tendría una ventaja. E incluso para aquellos, esa ventaja puede ser de corta duración. El algoritmo cuántico más famoso, desarrollado por Peter Shor en MIT, es para encontrar los factores primos de un entero. Muchos esquemas criptográficos comunes se basan en el hecho de que esto es difícil de hacer para una computadora convencional. Pero la criptografía podría adaptarse, creando nuevos tipos de códigos que no dependen de la factorización.

Esta es la razón por la que, incluso cuando se acercan al hito de los 50 qubitios, los propios investigadores de IBM están dispuestos a disipar el bombo que lo rodea. En una mesa en el pasillo que mira hacia el exuberante césped del exterior, me encontré con Jay Gambetta, un australiano alto y despreocupado que investiga algoritmos cuánticos y aplicaciones potenciales para el hardware de IBM. "Estamos en esta etapa única", dijo, eligiendo sus palabras con cuidado. "Tenemos este dispositivo que es más complicado de lo que puedes simular en una computadora clásica, pero aún no es controlable con la precisión con la que puedes hacer los algoritmos que sabes hacer".

Lo que da esperanza a los IBM es que incluso una computadora cuántica imperfecta podría ser útil.

Gambetta y otros investigadores se han centrado en una aplicación que Feynman imaginó en 1981. Las reacciones químicas y las propiedades de los materiales están determinadas por las interacciones entre los átomos y las moléculas. Esas interacciones están gobernadas por fenómenos cuánticos. Una computadora cuántica puede, al menos en teoría, modelar aquellos de una manera que una convencional no puede.

El año pasado, Gambetta y sus colegas de IBM utilizaron una máquina de siete qubits para simular la estructura precisa del hidruro de berilio. Con solo tres átomos, es la molécula más compleja jamás modelada con un sistema cuántico. En última instancia, los investigadores podrían usar computadoras cuánticas para diseñar células solares más eficientes, medicamentos más efectivos o catalizadores que conviertan la luz solar en combustibles limpios.

Esos objetivos están muy lejos. Pero, dice Gambetta, puede ser posible obtener resultados valiosos de una máquina cuántica propensa a errores combinada con una computadora clásica.

La computadora quantica


Del sueño de un físico a la pesadilla de un ingeniero

"Lo que impulsa el bombo es darse cuenta de que la computación cuántica es realmente real", dice Isaac Chuang, un profesor magro y de habla suave del MIT. "Ya no es el sueño de un físico, es la pesadilla de un ingeniero".

Chuang dirigió el desarrollo de algunas de las primeras computadoras cuánticas, trabajando en IBM en Almaden, California, a fines de la década de 1990 y principios de la década de 2000. Aunque ya no está trabajando en ellos, cree que estamos al principio de algo muy grande: que la computación cuántica eventualmente desempeñará un papel en la inteligencia artificial.

Pero también sospecha que la revolución no comenzará realmente hasta que una nueva generación de estudiantes y hackers jueguen con máquinas prácticas. Las computadoras cuánticas requieren no solo diferentes lenguajes de programación, sino también una manera fundamental de pensar qué es la programación. Como dice Gambetta: "No sabemos realmente cuál es el equivalente de" Hola, mundo "en una computadora cuántica".

Estamos empezando a descubrirlo. En 2016, IBM conectó una pequeña computadora cuántica a la nube. Usando un kit de herramientas de programación llamado QISKit, puede ejecutar programas simples en él; miles de personas, desde investigadores académicos hasta escolares, han desarrollado programas QISKit que ejecutan algoritmos cuánticos básicos. Ahora Google y otras compañías también están poniendo sus computadoras cuánticas nacientes en línea. No se puede hacer mucho con ellos, pero al menos le dan a las personas que se encuentran fuera de los laboratorios principales una idea de lo que puede venir.

La comunidad de inicio también se está emocionando. Poco después de ver la computadora cuántica de IBM, fui a la escuela de negocios de la Universidad de Toronto para participar en una competencia de lanzamiento de nuevas empresas. Equipos de empresarios se levantaron nerviosos y presentaron sus ideas a un grupo de profesores e inversores. Una empresa esperaba usar computadoras cuánticas para modelar los mercados financieros. Otro planeaba hacerles diseñar nuevas proteínas. Otro más quería construir sistemas de IA más avanzados. Lo que no se reconoció en la sala fue que cada equipo proponía un negocio basado en una tecnología tan revolucionaria que apenas existe. Pocos parecían intimidados por ese hecho.

Este entusiasmo podría agriarse si las primeras computadoras cuánticas tardan en encontrar un uso práctico. La mejor suposición de quienes realmente conocen las dificultades, gente como Bennett y Chuang, es que las primeras máquinas útiles están todavía a varios años. Y eso es asumir que el problema de administrar y manipular una gran colección de qubits no será, en última instancia, intratable.

Aun así, los expertos tienen esperanza. Cuando le pregunté cómo podría ser el mundo cuando crezca mi hijo de dos años, Chuang, que aprendió a usar la computadora.

Aun así, los expertos tienen esperanza. Cuando le pregunté cómo sería el mundo cuando crezca mi hijo de dos años, Chuang, quien aprendió a usar las computadoras jugando con microchips, respondió con una sonrisa. "Tal vez su hijo tenga un kit para construir una computadora cuántica", dijo.

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