Las computadoras cuánticas y sus usos en la actualidad

Las computadoras cuánticas parecen ser el futuro de la computación y podrían llevar la velocidad computacional a otro nivel, por lo que  prometen redefinir todos los paradigmas del procesamiento de datos, permitiéndole a las computadoras realizar tareas que sería muy difícil de sobrellevar para un microprocesador con tecnología actual.

 Las computadoras tradicionales operan en código binario; los bits pueden tomar valores algebraicos de 0 y 1. En las computadoras actuales los bits toman la forma de pequeños interruptores eléctricos denominados transistores. Los transistores pueden operar en uno de estos dos estados. Cuando se encuentran activados, estos transmiten corriente eléctrica y esto corresponde al estado 1. Cuando se encuentran desactivados, no transmiten corriente y se encuentran en el estado 0.qué es un computador cuantico

Los computadores cuánticos por otro lado, funcionan en un nivel subatómico que puede hacer que los qbits (El bit de los computadores cuánticos), funcionen en el estado 0 y el estado 1 al mismo tiempo. Esto en lenguaje matemático de la computación la serie se convierte en el número 1101.

Se ahorraría muchísimo tiempo utilizando un computador cuántico comparado con un computador convencional.

Para entender un poco mejor cómo trabajan los computadores cuánticos hagamos una pequeña analogía de cómo funciona la mecánica cuántica, que es la base de los computadores cuánticos. Imagínense a ustedes mismos haciendo 4 tareas simultáneamente, por ejemplo: Cocinar, barrer, lavar los trastes, arreglar el cuarto y todo eso lo haces al mismo tiempo. Realizar estas tareas sería un sueño para mucho de nosotros, ya que desafortunadamente, no podemos estar en varios lugares simultáneamente. A la mecánica cuántica parece no afectarle el número de tareas que puedan hacer simultáneamente.

Lo importante con esta analogía, es resaltar que se ahorraría muchísimo tiempo utilizando un computador cuántico comparado con un computador convencional. Esa es la meta a la que se plantea llegar con estos, aprovechar esta propiedad de hacer varias tareas simultáneas para así reducir sorprendentemente el tiempo que le tomaría a una computadora normal hacer el mismo proceso.

Mecánica de una computadoras cuánticas
Mecánica cuántica y experimento de las rejillas Tomada de Pixabay

Los qbits, permitirán arrojar varios valores simultáneamente, en vez del cálculo progresivo que usan las computadoras tradicionales. Esto representa más eficiencia en el procesamiento, y hace que las computadoras cuánticas requieran arquitecturas distintas a las utilizadas por los computadores hoy en día.

Los qbits, permitirán arrojar varios valores simultáneamente, en vez del cálculo progresivo que usan las computadoras tradicionales.

Como ya dijimos, los computadores cuánticos pueden trabajar a través de qbits, que pueden ocupar dos espacios al mismo tiempo de acuerdo a las leyes de la mecánica cuántica. Su funcionamiento se encuentra regido por un fenómeno conocido como entrelazamiento cuánticoque funciona a nivel microscópico. Los científicos en el laboratorio, han tenido ciertos inconvenientes para lograr el entrelazamiento entre los procesadores de 15 o más qbits ya que pierden su propiedad de “ambigüedad” y se convierten en simples operadores matemáticos binarios 0 y 1.

Inconvenientes de los Computadores cuánticos

Como todo en la naturaleza, las transferencias de energía ocurren desde un mayor estado energético hacia un estado menor para lograr su estabilidad. Ejemplo de esto es la transferencia de calor entre un cuerpo caliente hacia un cuerpo frío. Los qbits al representar unidades subatómicas que también tienen propiedades energéticas no escapan de dicha transferencia. Según una investigación publicada en NIST, “la velocidad de un cambio de estado cuántico estaría limitada a la cantidad de energía que contiene, en este caso, los qbits”. La investigación plantea que si está realizando más operaciones lógicas, tiene sentido que sus conmutadores necesitarán pasar por más cambios.

La velocidad de un cambio de estado cuántico, estaría limitada a la cantidad de energía que contienen los qbits.

Otro inconveniente por ahora, es el costo de un computador cuántico. De hecho, el desarrollo del nuevo computador cuántico que será desarrollado este año, podría costar decenas de millones de dólares, lo que limita a que empresas como Google y la Nasa sean las que por ahora costeen los costos de investigación para solucionar los problemas en la arquitectura de las computadoras cuánticas.

Computador cuántico DWAVE2000Q,
Computador DWAVE2000Q, tomada del sitio oficial www.dwavesys.com

Las posibles soluciones a la problemática de la arquitectura cuántica

Al estar trabajando con partículas subatómicas, se necesitan soluciones que involucren campos magnéticos y eléctricos que promuevan las interacciones subatómicas, las que en resumidas cuentas, son las que provocan el trabajo de la computación cuántica. Ya se han implementado diseños de la Universidad de Sussex, que impulsan el uso de campos eléctricos para que los iones se muevan entre los módulos del procesador y así operen con mayor eficiencia las compuestas lógicas.

Se necesitan soluciones que involucren campos magnéticos y eléctricos que promuevan las interacciones subatómicas.

También como se sigue explicando en la investigación publicada en NIST, la disminución en el nivel de energía, puede ser corregida con una “correcta arquitectura del computador”. Stephen Jordan, miembro de esta investigación, afirma que, usando las matemáticas de los sistemas cuánticos, es posible limitar el efecto que causa la disminución natural de energía de las partículas subatómicas; lo que podría darle al computador la capacidad de “realizar un número arbitrariamente grande de operaciones lógicas con un número determinado de cambios de estado cuánticos”.

Computadoras Cuánticas y sus usos actualmente
Computadora cuántica por IBM Research/Flickr

También se han implementado mejoras en el sistema de coherencia de resultados. La coherencia es parte importante de este proceso, puesto que al sistema arrojar multiplicidad de soluciones, solo una vendría a ser una solución real al sistema problema introducido a la computadora cuántica. Esto plantea complejidad al sistema, dado que al no haber restricciones de energía, no existe la limitación natural del procesamiento computacional, haciendo que arroje muchísimos datos al mismo tiempo, lo que provocaría sobre-resoluciones al problema y mayor dificultad para simular los procesos físicos. Hasta ahora, se ha logrado velocidad de procesamiento de 175 nanosegundos, pero la meta esperada y que llegará conforme avance el software desarrollado para tal fin, es que estos computadores procesen datos a velocidades de 100 nanosegundos.

Pero, ¿para la resolución de qué tipo de problemas serán utilizadas las computadoras cuánticas?

 Las investigaciones en el área de las computadoras cuánticas tienen fines bastante interesantes para problemas en distintas áreas, que pueden mejorar la calidad de vida de muchas personas alrededor del mundo. Aunque aún los resultados no alcanzan todavía el nivel que se espera de ellos, ya han arrojado atisbos de que la investigación va por muy buen camino.

Las computadoras cuánticas  pueden mejorar la calidad de vida de muchas personas.

La D-Wave ha logrado reconocer el 90% de los árboles provenientes de una fotografía aérea de Mill Valley, California. Y aunque una computadora actual de alto procesamiento con secuencias y algoritmos de cálculo más avanzados también podría haber cumplido la tarea, con mayor velocidad. Esto demuestra que las computadoras cuánticas ya pueden procesar una mayor cantidad de data y abre la posibilidad de la introducción de data para resolver problemas de mayor complejidad, entre los cuales se encuentran:

Detección de Objetos

Ejemplos como el experimento de la NASA con los árboles en California, y experimentaciones de Google para la identificación de un automóvil en una imagen son muestras del procesamiento de una computadora cuántica utilizando un algoritmo binario de clasificación. Una computadora actual no puede reconocer qué tipo de objeto es tal cual como lo hace el ser humano, lo cual representa la imagen enviada a computar. Más de 500.000 problemas de optimización discreta fueron resueltos durante la fase de aprendizaje, con los desarrolladores de Google, accediendo al sistema D-Wave de forma remota.

Optimización de Radioterapias

  La radioterapia es utilizada en el tratamiento del cáncer destruyendo las células cancerígenas haciendo imposible que estas se reproduzcan o muten. Pero a su vez tiene efectos colaterales, ya que pueden dañar las células sanas que se encuentran alrededor de la zona de aplicación de la radiación. El sistema HPC (High Performance Computing), permite junto con la potencia de las computadoras cuánticas, resolver y entregar la resolución con veloz convergencia de las distintas variables que aparecen en el proceso de simulación de una aplicación de radioterapia perfecta en el área afectada por el cáncer.

Esto ayudará a un tratamiento menos invasivo y más eficiente para un enfermo de cáncer en su fuerte lucha.

Computadoras cuánticas para uso en Radioterapias
Tomada de Pixabay

Optimización del traslado de agua por tuberías en la industria

En todo tipo de industria, se hace necesario el uso del agua. Para hacer uso de la misma se necesita trasladar por una larga red de tubería al interior de la planta que consta de distintos dispositivos de control como medidores de caída de presión o medidores de la calidad del agua fluida a través del tubo. Es un proceso difícil de controlar puesto que el agua, puede ser transmitida con flujo variado, cambios de presión en las tuberías y en los tanques de almacenamiento,  con propiedades fisicoquímicas distintas por alimentación de variadas fuentes de agua a la planta y un sinnúmero de variables.

El ordenador cuántico, ayudado del HPC Y de un programa de dominio público denominado EPANET que permite el análisis de sistemas de distribución de agua potable, trabajan en perfecta sinergia, en donde el primero potencia al segundo dándonos las herramientas necesarias para diseñar la red óptima, penalizando los resultados indeseables en la red, como la baja presión o la presencia de niveles de contaminantes químicos, mientras recompensa los resultados deseables como bajo costo, bajo riesgo, seguridad, entre otros. Así podemos entregar una proyección mucho más eficiente y cercana a los valores reales gracias a la eficiencia de los qbits en el procesador cuántico que arroja los resultados más idóneos y necesarios para hacer una buena estimación.

Otros usos

Muchas otras aplicaciones como simulaciones de Montecarlo para determinar patrones de comportamiento aleatorios de polímeros, manufactura, petroquímica, energía o compresión de vídeos entre otras aplicaciones bastante interesantes son las que se facilitan con el uso de las computadoras cuánticas.

Ya los gigantes de la tecnología como Google y NASA junto con IBM, se encuentran abocados en el desarrollo de las computadoras cuánticas y saben la importancia que puede marcar en el futuro próximo el cambio de muchos de los paradigmas de la tecnología actual y su impacto en pro del beneficio del desarrollo sostenible de la humanidad hacia una nueva era de avance tecno-racional.

Por Wilmer J. Villegas R

 

Las computadoras cuánticas y sus usos en la actualidad
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Estudiante de Ingeniería Química en la Universidad de Los Andes y gran apasionado por la ciencia.

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