domingo, julio 12, 2020
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La computación cuántica abre nuevas oportunidades para el avance de la sociedad y los negocios

Computación cuántica, Newsbook, En portada

La computación cuántica está en los albores de su desarrollo, a pesar de ser una disciplina en la que los científicos llevan varios años trabajando. Este tipo de computación que aplica las leyes de la física cuántica a la informática tradicional supone un nuevo paradigma en la computación. La rapidez de procesamiento y su capacidad de resolución de problemas complejos permitirán dar respuesta a algunos de los desafíos que tiene el mundo en la actualidad. En nuestro país, a pesar de la falta de un plan estratégico, se están comenzando a dar pasos para impulsar su desarrollo.

La computación cuántica está llamada a ser la herramienta que ayude a resolver algunos de los grandes desafíos que tiene la sociedad en el ámbito de la salud, la gestión energética o en el terreno económico y productivo. Permite la resolución de problemas complejos y supone un nuevo paradigma dentro de la computación.  Este tipo de computación se basa en los fundamentos de la física cuántica a diferencia de la clásica que se basa en transistores.

Carmen Recio, embajadora de IBM Q, define la computación cuántica como un “nuevo tipo de computación que aprovecha los fenómenos de la mecánica cuántica de la superposición, el entrelazamiento y la interferencia para procesar la información de una forma completamente diferente”.

Este concepto empezó a gestarse a principios del siglo XX gracias a investigadores europeos como Einstein, Heiseberg y Planck, pero la base teórica la estableció el físico Richard Feynman, premio Nobel de Física en 1965, a principios de los años 80. En una conferencia pronunciada en 1981 sobre la física de la computación expuso los principios de la teoría de la información cuántica y explicó las bases sobre las que se está desarrollando la computación cuántica.

A juicio de José Camacho, HPC & Quantum director de Atos Iberia, “el principio básico de la computación cuántica es que las propiedades de la mecánica cuántica pueden ser usadas para representar datos y realizar operaciones sobre los mismos”.

Uno de lo elementos diferenciales de la computación cuántica es su unidad básica de información que es el qubit (abreviatura de quantum bit). Frente a los  bits clásicos que contienen un único valor binario, como 0 o 1, pueden contener ambos valores al mismo tiempo, en lo que se conoce como estado de superposición. Por tanto, su capacidad de procesamiento es mayor, lo que permite procesar varias opciones simultáneamente en menos tiempo que los sistemas tradicionales, que no son cuánticos. “Lo interesante es que a medida que vamos añadiendo qubits, el número de operaciones crece exponencialmente. Por ejemplo, 2 qubits permitiría cuatro operaciones y 3 qubits permitiría 8 operaciones. Todas de forma simultánea”, resalta Carlos Cordero, CTO de Fujitsu.

Sin embargo, los qubits son altamente sensibles a las perturbaciones del entorno, lo que hace que las operaciones sean propensas a errores que es necesario corregir. La pérdida del estado de superposición genera errores de cálculo y es uno de los problemas a los que se están enfrentando los desarrolladores. “Los sistemas cuánticos deben trabajar a temperaturas muy bajas —cercanas al cero absoluto o -273ºC— y deben blindarse frente a interferencias electromagnéticas para minimizar dicho efecto y mantener baja la tasa de error. Si dicha tasa es suficientemente baja, se pueden utilizar en un procesador cuántico parte de los qubits para hacer corrección cuántica de dichos errores, pero esto, a su vez, erosiona la escalabilidad de los actuales ordenadores cuánticos, limitando su número de qubits y por lo tanto su capacidad para afrontar problemas de computación”, explica Cordero, de Fujitsu.

Los especialistas en computación cuántica también señalan que es un concepto que engloba diferentes elementos, además de la propia computación cuántica entendida como la capacidad de procesamiento basado en qubits, como la comunicación cuántica en la que  la seguridad es estratégica y que está generando el desarrollo de criptografía post-cuántica que son métodos de cifrado que no podrían romperse; la simulación cuántica, basada en las leyes de la física cuántica que permitirán superar las limitaciones de los actuares superordenadores; y la sensórica y metrología cuántica que genera sensores muy precisos que pueden utilizarse en diferentes aplicaciones.

Beneficios

La principal diferencia de la computación cuántica frente a la tradicional o clásica es su capacidad de procesamiento simultáneo y una manera diferente de abordar la resolución de los problemas lo que supone un nuevo paradigma de computación. Por este motivo, los equipos que trabajan en este ámbito están compuestos por profesionales de varias disciplinas como físicos cuánticos, expertos en investigación operativa, matemáticos e informáticos.

Este trabajo conjunto de distintos profesionales podría acelerar el desarrollo de este tipo de computación y acercar a la sociedad los beneficios que puede generar como la resolución de problemas complejos que ahora no puede afrontarse con la computación clásica. En este sentido, el equipo de Quantum Computing de Microsoft señala que cuando se cuente con una computadora cuántica escalable y de propósito general se podría “crear la capacidad de modelar, diseñar, analizar y construir nuevos materiales y químicos sintéticos a nanoescala; ayudar a desarrollar nuevo hardware y software para revigorizar el potencial de la computación tradicional; sobrecargar el desarrollo del aprendizaje automático y la IA; y preparar el escenario para una era completamente nueva de innovación humana que marcará el comienzo de una economía cuántica”.

Los expertos creen que impactará en todos los sectores, aunque señalan que en el sector de la salud, en el financiero, el de la automoción y en el del medio ambiente el impacto será más significativo.

Para la adopción en el mundo de los negocios todavía queda mucho tiempo y obstáculos que superar pero “debería hacer frente a la explosión de datos que el big data y el Internet de las cosas provocan”, apunta Camacho, de Atos Iberia.

Computación cuántica en España

En nuestro país se están dando pasos desde las instituciones académicas, las empresas y las organizaciones empresariales para avanzar en el desarrollo de la computación cuántica, aunque todavía queda mucho por hacer y se está iniciando este proceso que se encuentra en una fase incipiente. AMETIC es una de las organizaciones que está apostando por esta tipología de computación y está trabajando para fomentar su desarrollo y acercar sus beneficios a las empresas. El año pasado presentó el informe “La España cuántica: una aproximación empresarial”, elaborado por el grupo de trabajo de  Información, Computación y Ciberseguridad Cuánticas de la asociación, que está coordinado por Alfonso Rubio, vicepresidente de Innovación de la entidad. Este estudio refleja el estado de la computación cuántica en nuestro país y detalla las principales iniciativas que se han puesto en marchar para impulsarla. Rubio reconoce que nuestro país tiene “un gran talento, pero no se está invirtiendo nada”. Esta falta de inversión y la falta de un plan estratégico de desarrollo revelan las carencias en este terreno e indican que se necesita aunar esfuerzos para impulsar su desarrollo.

Al mismo tiempo, Europa va rezagada en la carrera por estar en los primeros puestos en este tipo de tecnología. La Unión Europa ha invertido en los últimos años 1.000 millones de euros, frente a las inversiones mucho más elevadas de otros países entre los que destacan Estados Unidos o China.

En nuestro país, también desde el ámbito militar se está trabajando en este desarrollo por los temas relacionados con la ciberseguridad, aunque los principales focos de innovación se encuentran en el Instituto de Ciencia Fotónica (ICFO), ubicado en Barcelona, y el CSIC, en Madrid. A la vez, están trabajando en el desarrollo de este tipo de computación la Quantum World Association–QWA, una organización empresarial internacional, cuya sede se encuentra en Barcelona, la propia AMETIC, otras entidades, que actúan como Think Tank, como  Barcelonaqbit, por ejemplo, junto con otros grupos de trabajo de universidades y centros de supercomputación.

Según subraya Rubio, la principal aportación que está haciendo AMETIC es la conexión entre las empresas que demandan y la oferta con el fin de establecer un marco de aprendizaje y colaboración. A la vez, otro de los logros de AMETIC ha sido su incorporación al Quantum Strategic Advisory Board del Flaship Europeo, que promueve la Comisión Europea. Para Rubio, esta incorporación ha sido muy relevante y ha propiciado que la entidad tome conciencia del peso de las empresas en este ecosistema cuántico.

Empresas multinacionales

En nuestro país están surgiendo startups centradas en la computación cuántica, pero las empresas que están acelerando su desarrollo son algunas multinacionales tecnológicas que invierten y llevan varios años investigando. Este es el caso de IBM, Microsoft, Fujitsu y Atos. IBM lleva desde los años 70 trabajando en este terreno, primero en un plano teórico y posteriormente en el experimental. En los años 90 avanzó en la parte teórica y en la década del 2000 ya demostró que la computación cuántica fue posible.

“Durante esta última década se han seguido dando pasos muy importantes como el lanzamiento de la plataforma IBM Q Experience en 2016, que permitió por primera vez acceder de forma gratuita a un ordenador cuántico de verdad. Y estamos convencidos de que estos próximos años serán determinantes en el desarrollo de la computación cuántica”, destaca Recio.

IBM cuenta con una red, denominada IBM Q Networks, que agrupa a empresas, emprendedores, instituciones académicas y laboratorios, que colaboran con ella para acelerar la investigación y sus aplicaciones. El trabajo con esta red es el núcleo de su estrategia para avanzar en la obtención de un ordenador cuántico que pueda resolver los problemas de manera más eficiente que los sistemas tradicionales.

Uno de sus últimos anuncios para lograr este objetivo se ha producido en la pasada edición de CES. Adelantó que ha añadido un cuarto punto en su hoja de ruta cuántica que es Raleigh, un nuevo procesador de 28 qubits que permite obtener un volumen cuántico, que es la métrica que determina la potencia de un ordenador cuántico de 32.

Según explica la embajadora de IBQ Q, este anuncio “confirma que los sistemas cuánticos han alcanzado una nueva fase en la que se podrán desarrollar mejores plataformas experimentales de computación cuántica”.

IBM también está contribuyendo al desarrollo de la computación cuántica en nuestro país. El pasado mes de junio firmó un acuerdo con el CSIC para su incorporación a la red IBM Q Network. El fin de esta alianza es el desarrollo de una plataforma IBM Q Hub de innovación en computación cuántica en España. IBM aportará la tecnología de computación cuántica y el CSIC un equipo de investigación formado por expertos.

La Universidad Autónoma de Madrid se ha sumado también a esta plataforma y gracias a la tecnología de IBM podrán utilizar la plataforma en la nube IBM Q Experience.

“La plataforma de innovación cuántica IBM-CSIC desempeñará un papel clave en la preparación de España para aprovechar esta nueva era de la computación”, subraya Recio.

Microsoft está desarrollando un qubit topológico para crear un sistema cuántico estable y está trabajando con otras empresas para avanzar en el desarrollo de un ordenador cuántico completo. Dentro de esta estrategia ha creado Azure Quantum, un conjunto de servicios cuánticos que abarca desde soluciones pre compiladas hasta software y hardware cuántico.

“Azure Quantum permite a los clientes escribir un código que se conecta a los avances en hardware que se produzcan: equipos clásicos, hardware cuántico de nuestros asociados o nuestro propio sistema cuántico creado sobre la base del qubit topológico”, señalan fuentes del equipo de Quantum Computing de Microsoft.

La compañía también ha creado un kit de desarrollo de Quantum de código abierto basado en el lenguaje de programación Q#, que cuenta con todas las herramientas y recursos que se necesitan para empezar a aprender y compilar soluciones cuánticas.

Además, el trabajo del grupo de computación cuántica en colaboración con otros miembros de la Comunidad Cuántica o Quantum Network que promueve la compañía se está centrando en el desarrollo de algoritmos y protocolos de clave pública resistentes a los cuánticos y en el avance en el control de qubits. En este sentido, los especialistas de Microsoft recalcan que tienen” la capacidad de controlar hasta 50.000 qubits a través de simplemente 3 cables, un diseño CMOS criogénico y un chip de 1 de computación a temperaturas cercanas al 0 absoluto”.

Por su parte, Fujitsu está trabajando desde 2018 en una plataforma, denominada Fujitsu Digital Annealer, que se inspira en la computación cuántica antibática. “El corazón de dicha plataforma es un procesador de diseño específico, digital —basado en transistores— llamado DAU, que simula por hardware el comportamiento de un procesador cuántico. Al ser digital, no tiene las limitaciones de tener que trabajar en condiciones de cero absoluto, ni es sensible a las interferencias electromagnéticas”, detalla Cordero.

Este procesador, de tamaño reducido, puede estar en un rack convencional de un centro de proceso de datos, ocupando pocas unidades U, y consume muy poca energía.

La primera versión de DAU soportaba 1024 qubits y la segunda, que anunció a finales de 2018, tenía una capacidad de 8192 qubits.

“A todos los efectos, se comporta como un sistema cuántico y debe ser programado como tal. Se debe usar como un co-procesador especializado dentro de un sistema integrado para resolver problemas complejos”, explica el CTO de Fujitsu en España.

Este sistema está indicado para la resolución de problemas de optimización combinatoria    y desde su presentación Fujitsu está dando a conocer sus ventajas a las empresas, comenzando por la capacitación de un grupo especializado en investigación operativa que se formó en Japón. Ahora año y medio después más de 30 empresas conocen sus ventajas y están comenzando a colaborar con Fujitsu para utilizarlo.

La propuesta de Atos comenzó con el lanzamiento de su estrategia de Quantum en 2016 con el objetivo de desarrollar una plataforma de simulación cuántica. Esta estrategia le llevó a crear un clúster de desarrollo y programación de algoritmos para desarrollar una cartera de aplicaciones cuánticas, el diseño de arquitecturas informáticas innovadoras y el desarrollo de nuevos algoritmos de criptografía cuántica segura.

Toda esta estrategia se articula a través de sus 15 centros de I+D y de un nuevo laboratorio dedicado al desarrollo cuántico, ubicado en Francia. Además, según detalla Camacho, cuenta con un Consejo Científico Cuántico compuesto por científicos y expertos de renombre internacional y con un grupo de usuarios global del Atos Quantum Learning Machine (QLM).

Esta labor de I+D le llevó a crear Atos Quantum Learning Machine (QLM), un “appliance” diseñado para el uso de los desarrolladores de software cuántico, que incorpora una plataforma de programación y un simulador cuántico de alto rendimiento.

“Alimentado por una potente infraestructura de hardware dedicada, el Atos QLM emulará la ejecución como lo haría una computadora cuántica genuina”, señala el responsable de Atos Iberia.

A través del Atos QLM los investigadores, ingenieros y estudiantes pueden desarrollar y experimentar con software cuántico. Sin embargo, como explica Camacho, ha dado un paso más presentando una versión “open” del simulador: myQLM. Este programa es un entorno python que permite desarrollar y simular programas cuánticos en el propio escritorio. Es interoperable con otros marcos de computación cuántica y permite ejecutar programas desarrollados con myQLM en un dispositivo Real Detos Quantum Learning Machine a través de un portal con tarifas de acceso.

Futuro

De cara al futuro, todos los actores del ecosistema de la computación cuántica están trabajando para que sea una realidad su uso y se pueda dar el paso de los entornos de investigación a los comerciales y empresariales.

IBM continuará trabajando para descubrir todo el potencial de la computación cuántica y mide su progreso con el término ventaja cuántica que será el momento en el que un ordenador cuántico consiga resolver un problema real de forma más eficiente que un ordenador clásico.

Fujitsu también se ha marcado una hoja de ruta ambiciosa con su sistema Digital Annealer. Espera durante este año anunciar un sistema que se aproxime a los 100.000 qubits de capacidad y durante el año fiscal 2020 tiene previsto arrancar las primeras pruebas comerciales con la plataforma de un millón de qubits. “A nivel local, vamos a potenciar este año el equipo dedicado a promocionar Fujitsu Digital Annealer para acercar la tecnología a las pymes”, anuncia Cordero.

Microsoft planea tener su qubit topológico a final de este año y espera tener un ordenador cuántico completo en los próximos cinco años. “Creemos que nuestro enfoque hará avanzar a la industria y permitirá una computación cuántica rápidamente escalable”, explican desde el equipo Quantum de la compañía.

Atos seguirá impulsando su propuesta y fomentando la innovación para avanzar en el terreno cuántico, mientras que desde AMETIC se continuará con la labor de difusión de sus ventajas y de apoyo a la industria. Rubio anuncia la realización de una encuesta para conocer lo que demandan las empresas en este apartado y su colaboración con la Administración para elaborar un plan estratégico en España.

 

 

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