Si por circunstancias de la vida nos encontráramos un día paseando por la bella ciudad de Zúrich, probablemente no pasaríamos por la poco concurrida calle de Huttenstrasse. Posiblemente, tampoco repararíamos en la casa situada en el número 9 y su jardín. Y solo tal vez, nos fijaríamos en la pequeña efigie de un gato que puede encontrarse en su interior. Pero de lo que, casi con total certeza, no nos percataríamos es de que este gato cambia su posición en el jardín cada día.
En esta dirección vivió el afamado físico Erwin Schrödinger, conocido por sus aportaciones a la física cuántica. Y este gato, cuya posición el visitante desconoce hasta que observa el jardín, es una referencia a su famoso experimento mental, que hoy recordamos como el “Gato de Schrödinger”.
En la cultura popular, este experimento nos muestra los misteriosos funcionamientos de la física cuántica, mediante los cuales un gato encerrado en una caja puede estar vivo y muerto al mismo tiempo, y su estado concreto no se define hasta que alguien abre la caja y observa al gato. Aunque el propio Schrödinger ideó este experimento como una demostración del absurdo que suponía llevar al extremo las teorías de física cuántica que se estaban desarrollando en su época, la realidad experimental nos ha indicado que este tipo de situaciones pueden ser reales, aunque sus detalles son de una complejidad mayor que la presentada habitualmente en los medios generalistas.
El descubrimiento de la física cuántica y las leyes por las que se rige han supuesto una evolución científica considerable durante el último siglo, y a día de hoy están marcando el camino hacia un nuevo modelo de computación y de diseño de algoritmos: la computación cuántica, que también tiene su aplicación en el campo de la Inteligencia Artificial.
¿Qué es la computación cuántica?
Prácticamente todos los sistemas de computación de los que disponemos hoy día son equivalentes al modelo teórico ideado por Alan Turing en 1936, hoy conocido como la “máquina de Turing”. Y aunque, hasta la fecha, la eficiencia y velocidad de cálculo de los computadores ha crecido exponencialmente, esencialmente podemos programar en ellos los mismos algoritmos que en aquellas primeras computadoras. ¿Por qué? El motivo es que, aunque contamos con chips que son millones de veces más potentes que los contenidos en las primeras computadoras, las operaciones básicas que pueden realizar son exactamente las mismas.
La computación cuántica supone un avance cualitativo en esta dirección. En lugar de realizar operaciones a través de las piezas básicas de la computación estándar, los transistores, en computación cuántica se realizan manipulaciones sobre partículas como electrones o iones, de forma que podamos explotar las propiedades de la física cuántica. Esta clase de operaciones sobre elementos cuánticos aporta dos ventajas significativas sobre la computación clásica: una mayor diversidad de algoritmos y la paralelización exponencial.
Mayor diversidad de algoritmos
Se sabe que, de entre todos los algoritmos que pueden existir, conocidos o por descubrir, una gran mayoría no puede implementarse en un computador clásico. Esto es debido a las limitaciones de las operaciones básicas que maneja: datos en forma de ceros y unos y operaciones lógicas como AND, OR, etc.
Un computador cuántico, en cambio, basa sus operaciones en números reales (números con cifras decimales), y puede realizar operaciones más complejas con ellos, disponiendo así de una “caja de herramientas” mayor para el diseño de algoritmos. La investigación de algoritmos que solo puedan implementarse en un computador cuántico es un campo de investigación muy activo en la actualidad.
Paralelización exponencial: qubits en computación cuántica
Así como el gato de Schrödinger puede estar vivo y muerto al mismo tiempo, una imagen habitual que se da sobre los ordenadores cuánticos es que contienen qubits, en lugar de bits. A diferencia de los bits, los qubits pueden estar en estado 0 y 1 al mismo tiempo, no definiéndose concretamente como 0 ó 1 hasta que son observados. Este tipo de estados indefinidos se conocen como estados en superposición.
En mayor rigor, un qubit se constituye de dos números reales que indican las probabilidades de que, al leer el valor del qubit, este se muestre como 0 ó 1. Pero el factor clave es que, mientras el qubit permanece sin ser observado, pueden realizarse diversas operaciones simultáneamente sobre los dos números reales que lo componen.
Este fenómeno escala de forma exponencial al considerar conjuntos de más de un qubit, permitiendo representar y operar al mismo tiempo más datos a medida que crecen los qubits. Se trata del fenómeno conocido como entrelazamiento.
Número de qubits | Datos representables |
1 | 2 |
2 | 4 |
3 | 8 |
4 | 16 |
5 | 32 |
… | … |
127 | 36893488147419103232 |
Algunos algoritmos de computación cuántica aprovechan este fenómeno para representar y procesar en paralelo gran cantidad de soluciones posibles a un mismo problema, permitiendo así encontrar la solución correcta de forma mucho más eficiente que en un computador clásico.
Los usos de la computación cuántica
Ya existen algoritmos de computación cuántica que desde el punto de vista teórico han demostrado su ventaja sobre los algoritmos clásicos. El algoritmo de Shor es capaz de descifrar de forma eficiente un mensaje encriptado con el estándar SSH, de uso común en internet, convirtiendo así los sistemas criptográficos actuales en poco prácticos.
Por otra parte, el algoritmo de Grover es capaz de encontrar la solución a un problema de búsqueda en un conjunto de datos desordenado de una forma mucho más eficiente que los algoritmos existentes. Y también se cuenta con algoritmos que permiten transmitir información entre qubits entrelazados, aunque estos estén separados y a gran distancia uno del otro, logrando así nuevas formas de comunicación segura.
Igualmente, el campo de la inteligencia artificial y el aprendizaje automático no es ajeno a esta revolución computacional. Existen investigaciones en curso sobre algoritmos que permitan realizar de manera más eficiente los cálculos requeridos para el entrenamiento de un modelo, así como nuevos algoritmos de aprendizaje que hagan uso de las propiedades específicas de la computación cuántica.
Hoy en día contamos también con proveedores cloud que ofrecen servicios de computación cuántica, permitiéndonos diseñar nuestros algoritmos cuánticos en local y ejecutarlos bajo demanda en un computador cuántico accesible a través de una API.
Pero, si la computación cuántica parece superior a la tradicional y ya contamos con computadores cuánticos disponibles, ¿por qué no los estamos utilizando ya?
Límites actuales y futuro de la computación cuántica
Aunque los computadores cuánticos existentes hoy en día son el resultado de un gran esfuerzo de ingeniería y de superación de retos técnicos, aún queda un largo camino por recorrer para permitir su uso práctico.
Los computadores cuánticos actuales cuentan con un número reducido de qubits y solo son capaces de mantener las propiedades de superposición y entrelazamiento durante un periodo de tiempo muy reducido. Esto conlleva que, en la actualidad, solo es posible aplicar algoritmos de computación cuántica sencillos a conjuntos de datos muy reducidos, no aportando ventajas sobre la computación clásica.
No obstante, diferentes proveedores de computación cuántica estiman que esta realidad podría cambiar en un horizonte de unos 5 a 10 años, cuando puedan crear computadores de 1 millón de qubits que incorporen algoritmos de autocorrección de errores. Es en este punto cuando la computación cuántica podrá incorporarse como un elemento de valor para los proyectos de negocio, produciendo soluciones más eficientes que las actualmente existentes, o creando soluciones completamente nuevas para problemas aún no resueltos.
Entre las actividades de investigación del Instituto de Ingeniería del Conocimiento (IIC) contamos con una línea de observación de los avances en la computación cuántica, con el fin de poder incorporar esta tecnología a nuestros servicios en cuanto aporte ventajas de negocio.
Si estás interesado en saber más sobre computación cuántica, puedes ver nuestro webinar para Spain AI sobre Computación Cuántica.
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