Introducción a la computación cuántica
Objetivos de aprendizaje
Al final de este módulo, tendrás una mejor comprensión de:
- El caso empresarial de la computación cuántica
- Los hitos y avances en computación cuántica a lo largo del tiempo
Una nueva forma de abordar problemas complejos
Los ordenadores cuánticos, que alguna vez fueron grandes experimentos de laboratorio, ahora son recursos informáticos comerciales disponibles en la nube, capaces de realizar cálculos que no pueden simularse exactamente en ordenadores clásicos. Las empresas investigan cada vez más cómo la computación cuántica puede impactar en su industria. Esta formación te introducirá a la computación cuántica y a su potencial valor empresarial. Además, te preparará para responder preguntas a medida que comiences tu camino en la computación cuántica. IBM Quantum® ofrece muchos recursos para que empieces a aprender sobre computación cuántica, independientemente de tu rol en tu organización.
¿Qué problemas podría resolver la computación cuántica?
La computación cuántica aprovecha las leyes de la mecánica cuántica para resolver problemas matemáticos complejos. Cuando los científicos e ingenieros se enfrentan a problemas difíciles, generalmente recurren a superordenadores: grandes ordenadores clásicos con miles de unidades de procesamiento central (CPU) y unidades de procesamiento gráfico (GPU). Sin embargo, aunque los superordenadores clásicos son muy buenos para resolver ciertos tipos de problemas, tienen dificultades con problemas que involucran muchas variables que interactúan de maneras complejas. La tecnología cuántica podría ayudarnos a superar estas barreras de complejidad para abordar problemas importantes en industrias de todo el mundo.
Comencemos viendo este vídeo sobre los tipos de problemas que los ordenadores cuánticos pueden resolver, presentado por Katie Pizzolato, Directora de Teoría Cuántica y Ciencias Computacionales en IBM Quantum.
Algunas áreas consideradas especialmente prometedoras para las aplicaciones de computación cuántica incluyen:
- Simulación - Simulación de sistemas físicos o químicos que ya son de naturaleza cuántica.
- Optimización - Encontrar soluciones óptimas a problemas complejos, típicamente planteados como problemas de minimización.
- Datos con estructura compleja - Uso de la computación cuántica para explorar nuevos modelos en aprendizaje automático y ciencia de datos.
El caso empresarial de la computación cuántica
Aunque la computación cuántica no reemplazará a los ordenadores convencionales, representa un nuevo paradigma informático. Un informe reciente del IBM® Institute for Business Value, The Quantum Decade, describe los principales impulsores de esta nueva generación de computación. Considera estos aspectos al evaluar la computación cuántica para tu negocio:
Prioridades globales – A medida que industrias enteras enfrentan mayor incertidumbre, los modelos de negocio se vuelven más sensibles y dependientes de las nuevas tecnologías.
El futuro de la computación – La integración de la computación cuántica, la inteligencia artificial y la computación clásica en flujos de trabajo híbridos multinube impulsará la revolución informática más significativa en 60 años.
La empresa orientada al descubrimiento – Las empresas evolucionarán de analizar datos a descubrir nuevas formas de resolver problemas.
Presión creciente para resolver problemas exponenciales – Los ejemplos incluyen el descubrimiento de nuevos materiales, el desarrollo de fármacos para combatir enfermedades emergentes y la reingeniería de cadenas de suministro para hacerlas más resilientes.
La tecnología cuántica en un punto de inflexión – Con el hardware y los qubits escalando rápidamente, nunca ha sido más importante que los expertos en distintas áreas participen en el descubrimiento de algoritmos. Los Circuits aumentarán en calidad, capacidad y variedad a medida que surjan nuevos algoritmos.
Escalamiento del ecosistema cuántico – La innovación abierta fomenta el aprendizaje colaborativo. Los profesionales y científicos deben formarse para aplicar la computación cuántica a problemas del mundo real, mientras que los físicos e ingenieros pueden crear hardware y software informados por la experiencia específica de cada dominio.
Comprueba tu comprensión
Lee la pregunta a continuación, piensa en tu respuesta y luego haz clic en el triángulo para revelar la solución.
Verdadero o falso: Los ordenadores cuánticos reemplazarán a los ordenadores clásicos en el futuro.
Falso. La combinación de ordenadores cuánticos y clásicos podría pronto superar el uso de ordenadores clásicos solos en tareas significativas. La integración de la computación cuántica, la inteligencia artificial y la computación clásica en flujos de trabajo híbridos multinube impulsará la revolución informática más significativa. A esta visión de lo cuántico y lo clásico conectados la llamamos supercomputación cuántica centralizada.
Foto de una maqueta del IBM Quantum System One, instalado en Shin-Kawasaki para la Universidad de Tokio. (Crédito: Satoshi Kawase para IBM)
Clases de problemas potenciales para la computación cuántica
Para más detalles sobre las clases de complejidad computacional que Victoria introdujo en el vídeo anterior, consulta este artículo. Allí aprenderás más sobre una lista teórica de los problemas que un ordenador cuántico puede resolver fácilmente, llamada BQP — tiempo polinomial cuántico con error acotado (bounded-error quantum polynomial time).
El camino de la ciencia a los sistemas
Lo que hace extraordinaria a la computación cuántica es su capacidad para resolver los problemas insolubles de hoy, generando en última instancia valor empresarial. La computación cuántica puede explorar estos problemas porque se basa en la mecánica cuántica, la explicación más profunda de la realidad disponible. La computación cuántica aprovecha los fenómenos de la mecánica cuántica para procesar información.
Aunque algunos pueden considerar la computación cuántica un área innovadora al inicio de su ciclo de vida, la realidad es que la teoría subyacente ha estado evolucionando desde al menos la década de 1970. Es importante reconocer algunos de los hitos y avances clave a lo largo del tiempo, ya que lo que antes se medía en pequeños avances ha progresado rápidamente de la ciencia a los sistemas.
| 1970 | Charles H. Bennett fue probablemente la primera persona en escribir la frase "teoría de la información cuántica" el 24 de febrero de 1970, mientras trabajaba como científico investigador en IBM. Su nota fue un presagio del tremendo trabajo de muchas otras personas que seguiría, llevando al mundo por el camino hacia la ventaja cuántica. |
| 1981 | Richard Feynman, destacado físico teórico, identificó el potencial de los ordenadores cuánticos ya en 1981. En la primera Conferencia sobre Física de la Computación, organizada por IBM y el Massachusetts Institute of Technology (MIT), cerró famosamente su discurso inaugural con la afirmación "[...] la naturaleza no es clásica, maldita sea, y si quieres hacer una simulación de la naturaleza, será mejor que la hagas mecánico-cuántica, y caramba, es un problema maravilloso, porque no parece tan fácil." [1] |
| 1994 | En 1994, Peter Shor, matemático entonces en AT&T Bell Labs en Nueva Jersey, demostró que un ordenador cuántico completamente funcional podría hacer algo notable: podría romper el cifrado RSA, un medio popular para proteger las comunicaciones privadas. Demostró que su algoritmo cuántico podía hacer en minutos lo que podría llevarle a un ordenador normal la edad del universo. 2 |
| 1996 | Un año después, Lov Grover, también científico de Bell Labs, ideó un algoritmo cuántico que permitiría buscar rápidamente en bases de datos no estructuradas. Los científicos se volcaron en el campo, y los avances en hardware pronto siguieron a los avances en código. [2] |
| 1998 | La primera demostración experimental de un algoritmo cuántico se logró en 1998. Se utilizó un ordenador cuántico de resonancia magnética nuclear (NMR) de 2 qubits para resolver el problema de Deutsch, por Jonathan A. Jones y Michele Mosca en la Universidad de Oxford y poco después por Isaac L. Chuang en el IBM Almaden Research Center y Mark Kubinec en la Universidad de California, Berkeley, junto con colaboradores de la Universidad de Stanford y el MIT. [3] |
| 2001 | En 2001 se realizó la primera ejecución del algoritmo de Shor en el IBM Almaden Research Center y la Universidad de Stanford. El número 15 fue factorizado usando 1018 moléculas idénticas, cada una con siete espines nucleares activos. [4] |
| 2005 | A mediados de la década de 2000, el campo de investigación había desarrollado varios tipos de qubits superconductores, cada uno con sus propias ventajas e inconvenientes. En 2007, un equipo de Yale encontró la manera de combinar algunos de estos enfoques para superar sus limitaciones individuales, dando al nuevo diseño el nombre de "qubit transmon". El qubit transmon pasaría a ser el núcleo de los esfuerzos de muchas empresas para desarrollar ordenadores cuánticos, incluidas IBM Quantum, Google AI y Rigetti Computing. Un miembro del equipo de Yale, Jay Gambetta, se convertiría más tarde en Vicepresidente de Computación Cuántica de IBM Research. |
Disposición del ordenador cuántico superconductor de cuatro qubits de IBM anunciado en 2015. (Crédito: IBM Research)
| 2016 | En mayo de 2016, IBM fue la primera empresa en lanzar un servicio de computación cuántica en la nube que incluía ordenadores cuánticos reales, llamado IBM Quantum Experience. [5] |
IBM Quantum Composer en una tableta en IBM Research (Crédito: Connie Zhou para IBM)
| 2017 | En marzo de 2017, IBM lanzó Qiskit, un framework de programación cuántica de código abierto. [6] En diciembre de 2017, se lanzó la IBM Quantum Network para establecer un ecosistema comercial de computación cuántica. |
| 2019 | IBM abrió el Quantum Computation Center en Nueva York, poniendo en línea la mayor flota de ordenadores cuánticos del mundo. |
El centro de datos IBM Quantum en Poughkeepsie, NY. (Crédito: James O'Connor, IBM)
| 2020 | En septiembre de 2020, IBM publicó una hoja de ruta de desarrollo para pasar de los ordenadores cuánticos ruidosos y de pequeña escala de entonces a los ordenadores cuánticos de más de un millón de qubits del futuro. La hoja de ruta establece el camino para alcanzar el hito de un ordenador cuántico de 1.121 qubits en 2023, más de 1.386 qubits en 2024 y más de 4.000 qubits en 2025. |
| 2021 | En la primavera de 2021, IBM anunció el lanzamiento de Qiskit Runtime, un entorno de ejecución en contenedores para programas cuántico-clásicos que eliminó algunos de los mayores cuellos de botella en el rendimiento de las cargas de trabajo. [7] En noviembre de 2021, IBM alcanzó un hito importante en computación cuántica cuando superó la barrera del procesador de 100 qubits con Eagle, un procesador cuántico de 127 qubits. [9] |
| 2022 | En abril de 2022, IBM lanzó las primitivas de Qiskit Runtime, simplificando la experiencia del desarrollador y permitiendo a los usuarios obtener resultados más significativos de los ordenadores cuánticos. [10] En mayo de 2022, IBM publicó una hoja de ruta actualizada que anticipa una próxima era de supercomputación cuántica centralizada en la que la modularidad y diversas técnicas de comunicación aumentarán la capacidad computacional. [11] En noviembre de 2022, IBM presentó su procesador IBM Quantum Osprey de 433 qubits, el mayor hasta la fecha utilizando qubits superconductores. [12] Ese mismo mes, IBM también lanzó los Dynamic Circuits — circuits computacionales que usan recursos cuánticos y clásicos para habilitar mediciones a mitad del circuit y operaciones de retroalimentación [13] — y anunció nuevas opciones de nivel de resiliencia para las primitivas de Qiskit Runtime que permiten a los usuarios experimentar con herramientas de supresión y mitigación de errores. [14] IBM está dando pasos hacia la realización de la supercomputación cuántica centralizada mediante el lanzamiento de middleware avanzado, incluido el Circuit Knitting Toolbox, en 2025. |
Presentado en 2022 en el IBM Quantum Summit, el procesador IBM Quantum Osprey cuenta con 433 qubits. (Crédito: Connie Zhou para IBM)
| 2023 | Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance es un artículo destacado en la portada de Nature en junio de 2023, una colaboración entre IBM y UC Berkeley. Los científicos de IBM Quantum realizaron complejas simulaciones físicas en el procesador IBM Quantum Eagle de 127 qubits. Las simulaciones se ejecutaron simultáneamente utilizando métodos de aproximación clásica de vanguardia en superordenadores ubicados en el Lawrence Berkeley National Lab y la Universidad de Purdue. Eagle obtuvo resultados más precisos que los métodos de aproximación clásica, incluso en el régimen más allá de las capacidades de los métodos de fuerza bruta. |
Portada de Nature sobre la utilidad cuántica publicada el 14 de junio de 2023
| 2023 | En 2023, IBM anunció su chip Heron, con nombre en clave montecarlo. Con 133 qubits inicialmente y actualizado a 156 qubits en 2024, Heron incorpora una nueva arquitectura de acoplador sintonizable. Heron muestra mejoras significativas sobre el mejor procesador Eagle, con la mitad de la tasa de error de puerta, prácticamente cero crosstalk y tiempo de puerta significativamente mejorado. Heron aprovecha innovaciones sustanciales en la entrega de señales que se implementaron previamente en Osprey. Las señales necesarias para habilitar el control rápido y de alta fidelidad de dos qubits y un solo qubit se entregan con cableado flexible de alta densidad. |
Presentado en 2023 en el IBM Quantum Summit, el procesador IBM Quantum Heron muestra mejoras sustanciales sobre los procesadores Eagle.
No es fácil predecir exactamente cuándo la computación cuántica podrá superar a los métodos actuales. Sin embargo, para liderar en la inminente era de la computación cuántica y abordar problemas complejos, las empresas y organizaciones de investigación necesitan empezar a prepararse ahora. Debido a la empinada curva de aprendizaje, un comienzo temprano en el aprendizaje y la experimentación puede resultar una ventaja competitiva. La preparación para la computación cuántica es un estado en continua evolución que depende del enfoque de una organización hacia la innovación y su inversión en ella, así como de los nuevos talentos y habilidades, y la madurez digital general. La preparación incluye la adopción de tecnologías habilitadoras como la automatización, la IA y la nube híbrida multinube; la disposición a analizar, experimentar e iterar con capacidades computacionales en expansión; la sofisticación de los flujos de trabajo; y el conjunto de habilidades de la organización.
Comprueba tu comprensión
Lee la pregunta a continuación, piensa en tu respuesta y luego haz clic en el triángulo para revelar la solución.
Verdadero o falso: La computación cuántica fue conceptualizada por primera vez en la década de 1990.
Falso. Aunque el primer ordenador cuántico experimental se creó en 1998, el potencial de la computación cuántica fue identificado por Richard Feynman ya en 1981.
Conclusiones clave
Puedes tener en cuenta estas conclusiones clave:
- La computación cuántica representa un nuevo paradigma informático que puede trabajar en conjunto con los ordenadores convencionales.
- Nos permitirá entender el mundo de una manera diferente y resolver algunos problemas antes intratables.
- Aunque la computación cuántica aún no puede superar a los métodos actuales, las organizaciones pueden tomar medidas hoy para prepararse para este cambio fundamental en la informática.
Fuentes
[1] Richard P. Feynman, "Simulating Physics with Computers," International Journal of Theoretical Physics 21, nos. 6–7 (1982): 467–488.
[2] Robert Hackett, "Business Bets on a Quantum Leap," Fortune, 21 de mayo de 2019.
[3] Isaac L. Chuang, Neil Gershenfeld, and Mark Kubinec, "Experimental Implementation of Fast Quantum Searching," Physical Review Letters 80, no. 15 (1998): 3408–3411.
[4] Lieven M. K. Vandersypen et al., "Experimental Realization of Shor's Quantum Factoring Algorithm Using Nuclear Magnetic Resonance," NATURE 414 (2001): 883–887.
[5] qiskit log, repositorio de GitHub.
[6] Jay Gambetta, "IBM's Roadmap for Scaling Quantum Technology," IBM Research Blog, 15 de septiembre de 2020.
[7] Ismael Faro and Blake Johnson, "IBM Quantum Delivers 120x Speedup of Quantum Workloads with Qiskit Runtime," IBM Research Blog, 11 de mayo de 2021.
[8] Matthew Treinish, Ali Javadi-Abhari, and Stefan Wörner, "New Qiskit Design: Introducing Qiskit Application Modules," IBM Research Blog, 6 de abril de 2021.
[9] Jerry Chow, Oliver Dial, and Jay Gambetta, "IBM Quantum Breaks the 100-Qubit Processor Barrier," IBM Research Blog, 16 de noviembre de 2021.
[10] Blake Johnson and Gilah Ben-Shach, "Qiskit Runtime Primitives Make Algorithm Development Easier Than Ever," IBM Research Blog, 12 de abril de 2022.
[11] Jay Gambetta, "Expanding the IBM Quantum Roadmap to Anticipate the Future of Quantum-centric Supercomputing," IBM Research Blog, 10 de mayo de 2022.
[12] Jay Gambetta, "Quantum-centric Supercomputing: The Next Wave of Computing," IBM Research Blog, 9 de noviembre de 2022.
[13] Blake Johnson, "Bringing the Full Power of Dynamic Circuits to Qiskit Runtime," IBM Research Blog, 9 de noviembre de 2022.
[14] Blake Johnson, Tushar Mittal, and Jeannette Garcia, "Introducing New Qiskit Runtime Capabilities — and How Our Clients Are Integrating Them into Their Use Cases," IBM Research Blog, 9 de noviembre de 2022.