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Computación

La era de los CÚBITS

Las computadoras de IBM y D-Wave inauguran la nueva etapa del procesamiento cuántico, pero el camino de la evolución aún es largo

Tubos refrigeradores y pulsos electromagnéticos del IBM Q System One

IBM

Las computadoras cuánticas –que utilizan las propiedades de las partículas subatómicas en sus sistemas de procesamiento– finalmente están emergiendo de los laboratorios de investigación hacia el mundo comercial. Recientemente, la compañía estadounidense IBM realizó una jugada importante en tal sentido, con el lanzamiento del IBM Q System One. La primera computadora cuántica universal a disposición del público está preparada para realizar diversos tipos de operaciones. Ese es un dato importante. La firma canadiense D-Wave Systems presentó su computadora cuántica pionera hace algo más de una década. Pero ese dispositivo solamente realiza tareas específicas, tales como resolver problemas de optimización, consistentes en la elección de la mejor solución entre innumerables variables.

Hacia el final del mes de septiembre, el periódico británico Financial Times anunció que Google podría haber logrado la “supremacía cuántica”, que es el punto en el cual una computadora cuántica habría efectuado una operación que una máquina tradicional sería incapaz de realizar. En este caso, el chip Sycamore, proyectado por Google, habría ejecutado en poco más de tres minutos un cálculo que a la supercomputadora más poderosa de la actualidad, la IBM Summit, le llevaría 10 mil años realizarlo. Los científicos de Google publicarán a la brevedad un artículo en una revista científica describiendo ese experimento.

El historial en laboratorio de las computadoras cuánticas es antiguo y aún se está lejos de alcanzar un nivel satisfactorio, incluso con los avances recientes de IBM y de D-Wave. En la década de 1980, los físicos estadounidenses Paul Benioff y Richard Feynman, ganador del Premio Nobel de 1965, y el israelí David Deutsch, demostraron que la mecánica cuántica podría dar origen a un nuevo tipo de computación. A escala nanométrica, las partículas presentan propiedades particulares tales como superposición –la combinación superpuesta de estados diferentes– y entrelazamiento, que ocurre cuando dos o más partículas interactúan y exhiben  un comportamiento distinto al que se espera en el modo clásico (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 193).

Mientras que en la computación clásica los bits (o dígitos binarios) pueden asumir solamente un valor, 0 ó 1 –donde el 0 representa una señal sin corriente eléctrica y el 1, una con corriente–, la computación cuántica trabaja con 0, con 1 y con combinaciones de 0 y 1 simultáneamente. Esos son los bits cuánticos, también denominados cúbits.

IBM Montaje del IBM Q System One, que ocupa una superficie de 9 metros cuadradosIBM

Estas características le permiten a la computadora cuántica efectuar cálculos simultáneos en un orden de magnitud muy superior al de las supercomputadoras actuales. Tal como lo explica el físico teórico Frederico Borges de Brito, del Instituto de Física de São Carlos en la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), la propuesta de la computación cuántica no radica en sustituir a la clásica, sino en ofrecer un nuevo camino para la solución de problemas, tales como simulaciones complejas y casos probabilísticos, ante los cuales las computadoras actuales se encuentran en dificultades para brindar respuestas. Borges de Brito trabajó en el proyecto de los equipos de IBM durante una pasantía posdoctoral que realizó entre 2006 y 2008, y en D-Wave, como investigador, entre 2008 y 2009.

“La factorización de un gran número primo constituye una tarea que puede llevar años en una computadora tradicional. En un ordenador cuántico, en teoría podría demorar segundos”, ejemplifica Borges de Brito. Con una computadora cuántica, la violación de códigos encriptados, que se emplean como medida de seguridad en las operaciones bancarias, puede dejar de ser un reto. Otra operación en la que estas nuevas máquinas son más eficientes es la simulación del comportamiento de las moléculas. De este modo, se esperan avances en el ovillado de proteínas (un proceso químico en el cual estas asumen su configuración funcional), generando nuevas posibilidades para el desarrollo de productos farmacéuticos. La nanotecnología y el estudio de nuevos materiales también se verán beneficiados, como así también el sector financiero. La computación cuántica puede utilizarse para el análisis de carteras de inversión y el comportamiento de las acciones de empresas en las bolsas de valores a lo largo del tiempo.

La construcción de una computadora cuántica, sin embargo, es una tarea compleja. Las máquinas actuales tienen el tamaño de una sala de 10 metros cuadrados (m2) y sus cúbits son altamente inestables y susceptibles a perder sus características cuando son expuestos a la naturaleza. Cualquier interferencia, tal como una vibración o el ruido de otras fuentes de energía, pueden causar errores de cálculos. Por eso se necesita aislarlas. Para mantener sus propiedades, los cúbits operan a una temperatura de -273,15 grados Celsius, muy cerca del cero absoluto. Cuantos más cúbits hay, más sofisticada es la ingeniería requerida. IBM y D-Wave crearon soluciones diferentes para afrontar este problema (vea la infografía en la página de al lado).

El IBM Q System One es una máquina con 20 cúbits que combina sistemas cuánticos y clásicos de computación. Este aparato, presentado al público en el mes de enero, está disponible en la nube para su uso comercial y científico. Según Ulisses Mello, director del Laboratorio de Investigaciones de IBM Brasil, el objetivo de la empresa con ese dispositivo consiste en demostrar que, aunque su capacidad de procesamiento todavía es limitada, la computadora cuántica es viable y está disponible para el público. No se trata solamente de un experimento de laboratorio.

La compañía trabaja en su centro de investigación en Nueva York en versiones de 50 y 70 cúbits. Aún es poco, reconoce Mello, pero forma parte de una trayectoria en la cual se pretende llegar al millar. “Puede que no falte mucho para poder llegar a 150 ó 200 cúbits, y en tal caso las aplicaciones ya podrían ser significativas para varias áreas”, pondera el ejecutivo. “La simulación molecular de la cafeína requiere algo así como 1.048 bits, una pauta imposible hoy en día. Con 160 cúbits eso será posible”, dice.

IBM pone a disposición del público en forma gratuita una plataforma en la nube denominada IBM Q Experience, que ya cuenta con más de 100 mil usuarios. La empresa también cuenta con más de 60 colaboradores empresariales que experimentan la tecnología por medio del IBM Q Network. La fabricante de automóviles Daimler, la petrolera ExxonMobil y el banco JPMorgan Chase & Co. figuran entre ellos. Por ahora, ninguna empresa brasileña forma parte de la red.

Aplicaciones en la mira
El laboratorio brasileño de IBM no participó en el desarrollo del hardware del IBM Q System One. La meta de los científicos que trabajan en el país consiste en el desarrollo de aplicaciones. En la fase actual la mira está puesta en identificar problemas que pueden ser solucionados por la computadora cuántica y en buscar colaboradores interesados en la contratación de esos servicios. Los trabajos iniciales buscan oportunidades en el mercado financiero, en el área de logística y en la industria química. Una aplicación en desarrollo es una investigación de la propia IBM, que intenta determinar cómo expandir la extracción de petróleo en las reservas a partir del estudio del comportamiento de las moléculas de petróleo líquido en contacto con un material sólido (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 258).

Cuando dio a conocer la primera versión de su computadora cuántica en 2007, la compañía canadiense D-Wave sorprendió a los investigadores académicos al presentar una solución inesperada de procesamiento, que adopta un protocolo adiabático –en el cual el dispositivo trabaja en el menor nivel posible de energía– y no de circuito, tal como lo hace el de IBM. La ventaja, según Frederico Brito, reside en que ese sistema puede ampliarse incorporando una cantidad mucho mayor de cúbits. Por otro lado, la computadora solo realiza tareas específicas. Se especializa en problemas de optimización, tales como, por ejemplo, la definición del recorrido logístico más eficiente para que un camión realice la entrega de helados en una ciudad congestionada, tal como es el caso de São Paulo, teniendo en cuenta todas las variables, tales como la cantidad de locales por visitarse, el tiempo invertido en la operación y los costos involucrados.

Susceptible de errores
Otra de las limitaciones de las máquinas de D-Wave radica en que, por ahora, el sistema que utilizan aún es pasible de errores. El mismo resulta apropiado para la computación probabilística, en la cual la respuesta ofrecida es la más probable, y no determinista, tal como ocurre con las computadoras clásicas.

Al contrario de IBM, cuya estrategia reside en la venta de tiempo de computación en la nube, D-wave se decantó por la comercialización de sus equipos. El primero fue adquirido en 2011 por la fabricante estadounidense de sistemas de defensa Lockeed Martin. Con 128 cúbits, esa máquina ocupa una sala de 10 m2 y cuenta con un sistema criogénico capaz de refrigerar la unidad central de procesamiento. Entre los clientes de esa computadora figuran Google y la agencia espacial estadounidense (Nasa). En su versión actual –el D-Wave 2000Q–, la misma dispone de 2 mil cúbits. La empresa no divulga el valor del equipo, pero un artículo en la revista Time, en 2014, estimó su precio en 10 millones de dólares.

Cortesía D-Wave Una científica trabajando en el desarrollo de la computadora cuántica de la empresa canadiense D-WaveCortesía D-Wave

Las limitaciones de las máquinas actuales llevan a que se las clasifique como Noisy Intermediate-Scale Quantum (Nisq), es decir, computadoras cuánticas de escala intermedia y ruidosa. La denominación ruidosa alude a que están sujetas a errores para los cuales aún no disponen de sistemas de corrección. “Uno de los temas de avanzada es el desarrollo de algoritmos capaces de operar con esas limitaciones y proyectar aquello que podrá explorarse en un futuro cercano”, resalta el físico Leandro Aolita, del Instituto de Física de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ).

El investigador explica que las posibilidades de creación de algoritmos cuánticos provistos por las computadoras hoy en día aún son limitadas. Para superar este problema, la mayoría de los proyectos incluyen operaciones híbridas, que utilizan computación clásica y cuántica en forma conjunta. “A partir de los algoritmos clásicos resulta casi imposible establecer patrones, pero los procesamientos híbridos pueden acelerar significativamente este proceso”, dice Aolita.

En Brasil, hay alrededor de 200 científicos asociados al Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de la Información Cuántica (INCT-IQ). Ellos se agrupan por actividades en 12 laboratorios de tecnologías cuánticas. En el país no existen proyectos de desarrollo de computadoras cuánticas; lo que hay es una iniciativa del laboratorio de Física en Circuitos Superconductores para Dispositivos Cuánticos de la Universidad de Campinas (Unicamp), que contempla la creación, en 2020, del primer dispositivo brasileño dotado de cúbits superconductores. “En primera instancia, no serán más de 3 cúbits”, informa el físico Francisco Paulo Marques Rouxinol, coordinador de ese laboratorio.

La unidad de la Unicamp fue creada para el estudio de regímenes de comportamiento de la naturaleza que puedan utilizarse en un futuro para el desarrollo de tecnologías cuánticas, tales como simuladores y memorias. “Pretendemos contribuir al estudio de la mecánica cuántica en el límite macroscópico y entender por qué existe una división entre el mundo cuántico y lo que observamos en forma directa, el mundo de la mecánica clásica”, explica Rouxinol.

Según él, la disponibilidad de computadoras cuánticas con capacidad de procesamiento más elevada será fundamental para que el equipo del laboratorio ponga a prueba las hipótesis estudiadas. Tal como expresa Frederico Brito, del IFSC-USP, la computación cuántica aún está en su etapa inicial y las posibilidades que surgirán a partir de su desarrollo son imprevisibles. “Lo único que sabemos es que nos hallamos en el umbral de una posible revolución”, afirma.

Proyecto
Desarrollo de dispositivos supercondutores cuánticos para el estudio de estados cuánticos de movimiento en sistemas electromecánicos híbridos (nº 17/08602-0); Modalidad Joven Investigador; Investigador responsable Francisco Paulo Marques Rouxinol (Unicamp); Inversión R$ 5.972.013,19

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