Computación cuántica: una hoja de trucos


IBM, Honeywell e Intel son solo tres empresas que lideran el camino en la construcción de máquinas cuánticas, así como los algoritmos y controles para ejecutarlas. Obtenga más información sobre los posibles casos de uso empresarial de Quantum.

La computación cuántica, considerada la próxima generación de computación de alto rendimiento, es un campo que cambia rápidamente y recibe atención a partes iguales en la academia y en los laboratorios de investigación empresarial. Honeywell, IBM e Intel están desarrollando de forma independiente sus propias implementaciones de sistemas cuánticos, al igual que empresas emergentes como D-Wave Systems. A fines de 2018, el presidente Donald Trump firmó la Ley de Iniciativa Cuántica Nacional que proporciona 1.200 millones de dólares para investigación y desarrollo cuánticos.

La hoja de trucos de TechRepublic para la computación cuántica se posiciona como una introducción fácilmente digerible a un nuevo paradigma de la computación, así como una guía viva que se actualizará periódicamente para mantener informados a los líderes de TI sobre los avances en la ciencia y la comercialización de la computación cuántica.

VER: La guía del CIO para la computación cuántica (Característica especial de ZDNet / TechRepublic) | Descarga la versión gratuita en PDF (TechRepublic)

Resumen Ejecutivo

  • ¿Qué es la computación cuántica? La computación cuántica es una tecnología en desarrollo que los científicos anticipan proporcionará soluciones computacionales más rápidas a los problemas que actualmente manejan las supercomputadoras.
  • ¿Por qué importa la computación cuántica? En teoría, las computadoras cuánticas podrían usarse para descifrar la criptografía RSA, que se usa comúnmente en Internet. La computación cuántica también tiene el potencial de resolver problemas que antes se consideraban insolubles.
  • ¿A quién afecta la computación cuántica? Principalmente investigadores que trabajan en física cuántica, aunque se prevé que los avances en la computación cuántica influyan en otras disciplinas de "lógica difusa", como la inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático (ML).
  • ¿Cuáles son las oportunidades comerciales relacionadas con la computación cuántica? Todas las industrias se beneficiarán a través de diferentes casos de uso porque la computación cuántica permite que los datos se consuman y procesen más rápido con menos energía.
  • ¿Qué empresas lideran la carrera de la computación cuántica? AWS, Google, Honeywell, IBM y Microsoft están desarrollando capacidades y servicios de computación cuántica. Intel está construyendo procesadores cuánticos. Empresas más pequeñas, como 1QBit, D-Wave, IonQ y Rigetti Computing, también están trabajando en computación cuántica, incluidos dispositivos y servicios cuánticos.
  • ¿Qué es la computación cuántica como servicio? Tanto las grandes empresas tecnológicas como las nuevas empresas que trabajan en el mundo cuántico han recurrido al modelo "como servicio" para hacer que esta nueva potencia informática esté disponible para una audiencia más amplia.
  • ¿Cuándo se lanzarán las computadoras cuánticas? Los sistemas limitados a un tipo específico de computación cuántica llamado recocido digital están disponibles comercialmente, aunque todavía no hay un beneficio claro en comparación con las computadoras tradicionales.
  • ¿Cómo consigo una computadora cuántica? Varios proveedores ofrecen acceso basado en la nube a computadoras cuánticas. Aunque es posible comprar un sistema directamente, es probable que su costo sea prohibitivo, ya que los sistemas actuales solo son útiles para cargas de trabajo especializadas.

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¿Qué es la computación cuántica?

La computación cuántica es una tecnología emergente que intenta superar las limitaciones inherentes a las computadoras tradicionales basadas en transistores. Las computadoras basadas en transistores se basan en la codificación de datos en bits binarios, ya sea 0 o 1. Las computadoras cuánticas utilizan qubits, que tienen diferentes propiedades operativas. Si bien es posible codificar datos binarios en un qubit, el estado natural de un qubit es esencialmente superposición. Esta propiedad permite que los qubits tengan valores de 0 y 1 (o valores entre 0 y 1) simultáneamente. Asimismo, debido a las propiedades de la física cuántica, múltiples medidas de qubits en estados idénticos no arrojarán resultados idénticos. Los Qubits también pueden contener hasta dos bits de datos binarios como parte de un proceso llamado codificación superdensa.

Utilizando la computación cuántica, tareas matemáticamente complejas que en la actualidad suelen ser manejadas por supercomputadoras:plegamiento de proteínas, por ejemplo, teóricamente se puede realizar con computadoras cuánticas a un costo de energía menor que las supercomputadoras basadas en transistores. Si bien las máquinas cuánticas actuales son esencialmente dispositivos de prueba de concepto, los algoritmos que se utilizarían en máquinas listas para producción se están probando actualmente para garantizar que los resultados sean predecibles y reproducibles. En la etapa actual de desarrollo, un problema dado se puede resolver tanto con computadoras cuánticas como con computadoras tradicionales (binarias). A medida que se perfeccionan los procesos de fabricación utilizados para construir computadoras cuánticas, se anticipa que serán más rápidos en las tareas computacionales que las computadoras binarias tradicionales.

Más lejos, supremacía cuántica es el umbral en el que se teoriza que las computadoras cuánticas son capaces de resolver problemas, que las computadoras tradicionales no podrían (prácticamente) resolver. Prácticamente hablando, la supremacía cuántica proporcionaría un superpolinomio aumento de velocidad sobre el algoritmo más conocido (o posible) diseñado para computadoras tradicionales. Teóricamente, esto se puede demostrar usando Algoritmo de Shor para la factorización prima, que proporcionaría tal aumento de velocidad cuando se realiza en una computadora cuántica, ya que se cree que la factorización es generalmente difícil con las computadoras tradicionales (aunque esto no es probado, en el sentido científico de "prueba").

VER: Investigación: Computación cuántica en la empresa; proveedores clave, beneficios anticipados e impacto (TechRepublic Premium)

Los investigadores utilizan la etiqueta NISQ (Computación cuántica de escala intermedia ruidosa) para describir todas las máquinas cuánticas que funcionan actualmente; esto significa que las máquinas no tienen una corrección de errores completa. Los investigadores pueden enviar sus consultas cuánticas a servicios basados ​​en la nube para adquirir experiencia con lo que pueden hacer las computadoras cuánticas.

Un artículo de investigación publicado en Science en octubre de 2018 titulado "Ventaja cuántica con circuitos poco profundos"probó una variante del Problema de Bernstein-Vazirani, en el que los investigadores demostraron que una computadora cuántica con una profundidad de circuito fija superará a una computadora clásica utilizada para calcular el mismo problema. Si bien esto en sí mismo no establece la supremacía cuántica, sí demuestra el potencial de las computadoras cuánticas, ya que los diseños refinados aumentan el número de qubits y la longitud de coherencia cuántica, lo que permite realizar cálculos más complejos.

El volumen cuántico es otra forma de medir el progreso de la industria, como Paul Smith-Goodson explicado para Forbes. El volumen cuántico mide varios componentes del rendimiento de una computadora cuántica, incluida la coherencia, los errores de calibración, la diafonía, los errores del espectador, la fidelidad de la puerta, la medición y la fidelidad. El cálculo también tiene en cuenta los elementos de diseño de cada máquina. Una puntuación de volumen cuántico indica la complejidad de un problema que la computadora puede resolver.

IBM anunció en agosto de 2020 que ha logrado un volumen cuántico de 64 con un sistema implementado por el cliente de 27 qubit. Honeywell informó en junio de 2020 que había alcanzado un volumen cuántico de 64 con un sistema de 6 qubit.

El próximo hito que aún faltan algunos años en el futuro es la ventaja cuántica. Cuando las computadoras cuánticas alcancen ese hito, las máquinas podrán resolver problemas del mundo real que las computadoras clásicas no pueden resolver.

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¿Por qué importa la computación cuántica?

Teóricamente, los avances en la computación cuántica conducirían a un gran avance en factorización de enteros. Si la factorización de enteros se volviera trivial de realizar, la integridad de los sistemas de cifrado de uso común se rompería, lo que permitiría a cualquier individuo, organización o gobierno con acceso a computadoras cuánticas la capacidad de descifrar claves por fuerza bruta, con las que se pueden utilizar dispositivos bloqueados o archivos cifrados. hecho accesible. Debido a las preocupaciones en la comunidad de ciberseguridad sobre la viabilidad de las computadoras cuánticas para romper el cifrado, la investigación criptografía basada en celosía–que se cree que no es susceptible de ser roto por computadoras cuánticas– ha aumentado.

Con ese fin, en enero de 2014, informes indicaron que la NSA ha gastado $ 79,7 millones en un programa titulado "Penetrando objetivos duros". Como parte de este programa, se llevó a cabo una investigación para construir "una computadora cuántica criptológicamente útil". Los documentos citados en este informe indican que la NSA no ha tenido mucho más éxito que otros investigadores. Asimismo, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) publicó una solicitud en diciembre de 2016 solicitando comentarios del público sobre cómo proteger las computadoras de la amenaza de las computadoras cuánticas que se utilizan para descifrar el cifrado.

No hay consenso sobre cuándo las computadoras cuánticas serán capaces de descifrar el cifrado. En una entrevista de mayo de 2018 con TechRepublic, Bob Sutor, vicepresidente de soluciones cognitivas, blockchain y cuánticas de IBM Research, estimó que las computadoras cuánticas están a 30-40 años de romper los algoritmos criptográficos tradicionales. El mismo mes, el entonces director de investigación de IBM y actual director ejecutivo, Arvind Krishna prevenido que "Cualquiera que quiera asegurarse de que sus datos estén protegidos por más de 10 años debería pasar ahora a formas alternativas de cifrado".

VER: Cifrado cuántico: cómo funciona (TechRepublic)

También se prevé que la computación cuántica tendrá otros impactos significativos fuera del campo de la criptografía. Debido a la naturaleza de la computación cuántica, son especialmente adecuados para los llamados "problemas de optimización", donde existe un número exponencial de permutaciones para evaluar. En una entrevista con TechRepublic, Andy Stanford Clark, CTO de IBM para el Reino Unido e Irlanda, proporcionó un ejemplo: "Si … está optimizando las longitudes de las rutas de los aviones u optimizando el diseño de las piezas de repuesto para una red ferroviaria, algo en lo que hay 2n posibilidades y tienes que probar cada una para encontrar la solución óptima. Si tuvieras un problema de 2100, que sería básicamente imposible de resolver en una computadora clásica, con una computadora cuántica de 100 qubit, estarías capaz de resolverlo en una sola operación ".

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¿A quién afecta la computación cuántica?

La investigación en computación cuántica está impulsando una gran cantidad de inversiones de universidades, empresas de TI y capital de riesgo. Han surgido múltiples asociaciones público-privadas a medida que las empresas trabajan con los departamentos de investigación de las universidades para encontrar casos de uso en los que la computación cuántica se pueda aplicar a las operaciones comerciales existentes.

los IBM Q Network es la más grande de ellas, con universidades participantes como la Universidad Estatal de Carolina del Norte, la Universidad de Melbourne, la Universidad de Oxford y la Universidad de Keio, y empresas participantes como Samsung, JPMorgan Chase, Mitsubishi UFJ Financial Group, Mizuho Financial Group y Mitsubishi Chemical.

Otros incluyen Una colaboración entre la empresa australiana Silicon Quantum Computing y la organización nacional de investigación y desarrollo (I + D) de Francia, la Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA).

En diciembre de 2018, Trump promulgó la ley Ley de Iniciativa Cuántica Nacional. Esto estableció el Programa Nacional de Iniciativa Cuántica, que diseñará un plan de 10 años para acelerar el desarrollo de la ciencia y tecnología de la información cuántica. La ley también ordenó al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, la Fundación Nacional de Ciencia y el Departamento de Energía para apoyar el esfuerzo con iniciativas relacionadas. La Casa Blanca anunció la Comité Asesor de la Iniciativa Cuántica Nacional en agosto de 2020, que incluye a personas de la Universidad de Chicago, Intel, Google, Sandia National Laboratories, Microsoft Research, Harvard University, Duke University y otras universidades e institutos de investigación.

También en agosto de 2020, la Oficina de Política Científica y Tecnológica de la Casa Blanca (OSTP) y el Departamento de Energía anunciaron la financiación de hasta 625 millones de dólares durante cinco años para apoyar cinco centros de investigación cuántica en laboratorios nacionales de todo el país.

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¿Cuáles son las oportunidades comerciales relacionadas con la computación cuántica?

La computación cuántica tiene el potencial de resolver problemas complejos en todas las industrias; algunos de los primeros casos de uso serán en finanzas, química, investigación farmacéutica y logística. Los ordenadores cuánticos podrán analizar un número casi infinito de posibles soluciones para encontrar las más prometedoras. Con la logística, por ejemplo, un algoritmo cuántico podría analizar las rutas de entrega o los horarios de transporte para identificar las rutas más eficientes o más rápidas. Una aerolínea que usó una computadora cuántica para la planificación de rutas podría desarrollar una ventaja estratégica sobre otra que no lo hizo. Denise Ruffner, jefa de desarrollo comercial de IonQ, dijo que la industria se acerca al final de la fase de adopción temprana. Ahora es el momento de comprender el potencial de la computación cuántica y sus aplicaciones comerciales.

JPMorgan Chase ha estado haciendo precisamente eso: la compañía bancaria fue uno de los primeros clientes de la computadora cuántica de IBM. La compañía también ha estado explorando la "cultura cuántica" y dando tiempo al ingeniero senior Constantin Gonciulea para preparar a la empresa para el futuro cuántico. Él espera que la computación cuántica se comercialice por completo en cinco a 10 años y está sentando las bases para que JPMorgan Chase esté listo para aprovechar esa potencia informática; esto significa leer artículos de investigación y reunirse con otros ingenieros para discutir las posibilidades. La empresa de servicios financieros está planificando una Programa de asociados de verano de computación cuántica para 2021 para construir una línea de empleados familiarizados con la tecnología.

El director de investigación de IBM, Dario Gil, dijo en CES 2020 que la promesa de la computación cuántica es el poder de modelar procesos naturales y comprender cómo funcionan. "La cuántica es la única tecnología que conocemos que altera la ecuación de lo que es posible resolver frente a lo imposible de resolver", dijo.

Jeannette García, directora senior de algoritmos y teoría de aplicaciones cuánticas en IBM Research, compartió algunos de los problemas del mundo real en los que está trabajando la empresa:

  • Proceso de fijación de nitrógeno mejorado para crear fertilizantes a base de amoníaco
  • Nuevas clases de antibióticos para contrarrestar las bacterias multirresistentes
  • Nuevos polímeros que podrían reemplazar los componentes a base de acero

El enfoque de García es la investigación de baterías, que también es el tema de una nueva asociación de IBM con Daimler. Ella dijo que los investigadores están utilizando la computación cuántica para descubrir la química cuántica.

Gil dijo que la era "cuántica lista" comenzó en 2016 y la siguiente fase comenzará cuando la tecnología mejore lo suficiente como para lograr la "ventaja cuántica".

"Primero, toda una generación de desarrolladores necesitará aprender a programar estas computadoras", dijo. "Entonces, cuando logremos la ventaja cuántica, seremos capaces de resolver problemas del mundo real, y absolutamente sucederá en esta década".

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¿Qué empresas lideran la carrera de la computación cuántica?

IBM recibe la mayor atención por su trabajo en el sector para construir máquinas cuánticas y crear una comunidad en torno a la computación cuántica. El trabajo cuántico de IBM tiene tres áreas de enfoque: acelerar la investigación, desarrollar aplicaciones comerciales y educar y preparar. La red Q de la compañía incluye compañías Fortune 500, laboratorios de investigación nacionales, universidades y nuevas empresas. IBM estableció una hoja de ruta cuántica en septiembre de 2020 con planes para un sistema de 1,121 qubit en 2023.

Microsoft está desarrollando un ecosistema cuántico de pila completa, así como una red cuántica con socios que incluyen empresas, investigadores, académicos y desarrolladores. El kit de desarrollo cuántico de la compañía incluye un kit de herramientas de código abierto, entornos de desarrollo y una comunidad de código abierto.

Honeywell ha aplicado su profunda experiencia con el control de sistemas para desarrollar una computadora cuántica. La empresa utiliza un modelo de iones atrapados por su servicio de computación cuántica. Este modelo utiliza iones atómicos atrapados en el vacío y enfriados con láseres como qubits. IBM y Google utilizan qubits superconductores en sus computadoras cuánticas.

El trabajo de Intel en computación cuántica cubre la pila completa, desde el desarrollo de qubits y algoritmos hasta el control de la electrónica y las interconexiones. Jim Clarke es el director del grupo de investigación de hardware cuántico de Intel y miembro del Comité Asesor Nacional de Quantum. A finales de 2019, Intel lanzó un chip de control criogénico llamado "Horse Ridge", después de una de las regiones más frías de Oregon; la compañía afirmó que esto acelerará el desarrollo de sistemas cuánticos de pila completa en parte al facilitar el control de múltiples qubits a la vez. Clarke escribió en ese momento que un falta de investigación y desarrollo centrado en la tecnología de controles va a limitar el progreso hacia un sistema cuántico a gran escala. Simplificar el cableado de control necesario para trabajar con miles de qubits a la vez "podría llevar la practicidad cuántica a la línea de meta mucho más rápido de lo que es posible actualmente", como escribió Clarke. Intel está trabajando con investigadores en los Países Bajos para construir estos controles.

Google está desarrollando procesadores cuánticos y algoritmos para resolver problemas teóricos y prácticos; las áreas de enfoque son procesadores qubit superconductores, meteorología qubit, simulación cuántica, optimización cuántica asistida y redes neuronales cuánticas. Google ha creado dos marcos de código abierto para admitir la computación cuántica: Cirq y OpenFermion. En octubre de 2019, Google anunció que su computadora cuántica Sycamore de 53 qubits completó un cálculo que no se podía hacer con una computadora clásica. Otros científicos dijeron que el cálculo se eligió para aprovechar las fortalezas de una computadora cuántica y las debilidades de una computadora tradicional. En septiembre de 2020, Google anunció que una versión de 12 qubit de su computadora Sycamore había simulado una reacción química simple.

En 2018, IBM celebró un evento para nuevas empresas de computación cuántica. Denise Ruffner estaba trabajando allí en ese momento y dijo que fue una lucha encontrar 10 empresas; ahora hay más de 650 empresas jóvenes trabajando en el sector, dijo.

D-Wave, 1Qbit, IonQ, Q-CTRL, Strangeworks, Xanadu y Computación Zapata todos están asumiendo un desafío diferente en la computación cuántica. En ZDNet, Esther Shein reunió a ocho empresas líderes en computación cuántica para observar.

Cambridge Quantum Computing es otro miembro del ecosistema cuántico. Con IBM, la compañía anunció en septiembre de 2020 que había construido un generador de números aleatorios que utiliza computación cuántica.

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¿Qué es la computación cuántica como servicio?

Tanto las grandes empresas tecnológicas como las nuevas empresas que trabajan en el mundo cuántico han recurrido al modelo "como servicio" para hacer que esta nueva potencia informática esté disponible para una audiencia más amplia.

En abril de 2020, IBM informó que 225.000 personas están utilizando el servicio en la nube Quantum Experience de la empresa. Más de 100 empresas están pagando por su servicio premium IBM Q para tener acceso a los expertos en la materia de la empresa además de su hardware.

Rigetti lanzó sus Quantum Cloud Services en 2018. La compañía utiliza un enfoque híbrido cuántico clásico con sus servicios en la nube para admitir la conectividad de latencia ultrabaja entre el hardware de un cliente y las computadoras cuánticas de Rigetti. Las API de red de Rigetti brindan acceso a las funciones básicas del sistema operativo cuántico, como la autenticación de usuarios, la autorización de servicios del sistema, el envío de circuitos, la programación de circuitos, la gestión de la memoria y la concurrencia.

Microsoft también ofrece acceso a la computación cuántica a través de la nube y Azure.

Amazon lanzó su servicio cuántico, Braket, en agosto de 2020. Amazon Braket permite a los clientes experimentar con hardware de computación cuántica para obtener experiencia práctica con la tecnología. Es un entorno de desarrollo único para construir algoritmos cuánticos, probarlos en computadoras cuánticas simuladas y probarlos en varias arquitecturas de hardware cuántico. La plataforma incluye sistemas de D-Wave, IonQ y Rigetti. Amazon también está explorando computadoras cuánticas producidas en masa a través de su nuevo Centro de Computación Cuántica.

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¿Cuándo estarán disponibles las computadoras cuánticas?

Hay dos respuestas a esta pregunta: ahora y sustancialmente en el futuro. La empresa canadiense D-Wave Systems vende un Sistema Advantage de 5,000 qubit, que el Laboratorio Nacional de Los Alamos planeaba instalar este año. La máquina de D-Wave es un recocido cuántico. Recocido cuántico es el mejor enfoque para problemas que tienen múltiples "soluciones suficientemente buenas", a diferencia de los problemas que tienen una respuesta ideal. El enfoque de D-Wave no podrá romper la criptología moderna, pero podrá encontrar formas de hacer que los aviones vuelen más rápido.

Fujitsu ofrece un recocido digital de "inspiración cuántica", que es una computadora tradicional basada en transistores diseñada para tareas de recocido cuántico. Sin embargo, Fujitsu no comercializa este sistema como una verdadera computadora cuántica, ya que el diseño tradicional basado en transistores le permite operar a temperatura ambiente sin requerir soluciones de enfriamiento a base de helio, además de hacerlo resistente al ruido y a las condiciones ambientales que afectan el rendimiento. en computadoras cuánticas.

En un sentido general, es posible que la computación cuántica sea una alternativa viable en el futuro a las soluciones actuales basadas en transistores, aunque se deben abordar los obstáculos no triviales en la fabricación y la fabricación en masa para que esto se convierta en una tecnología viable para la industria de masas. adopción. Entre estos obstáculos se encuentran la dificultad de construir computadoras que escalen a múltiples qubits, la capacidad de inicializar qubits a un valor predecible y facilitar los medios por los cuales se pueden leer los qubits.

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¿Cómo consigo una computadora cuántica?

Una computadora cuántica no es algo que encontrará en su gran tienda local. Los recursos de computación cuántica están ampliamente disponibles a través de servicios en la nube con marcos específicos del proveedor. Las ofertas están disponibles en IBM Q (a través de Qiskit), mientras que Google ha introducido el Marco Cirq, aunque actualmente no tiene una oferta en la nube con disponibilidad general. Salto D-Wave permite a los desarrolladores aprobados realizar experimentos cuánticos de forma gratuita en su entorno de desarrollo Leap Quantum. Similar, Fujitsu ofrece acceso a la nube a su sistema de recocido digital.

Para comprar sistemas directamente, el sistema 2000Q de D-Wave cuesta $ 15 millones (los compradores notables incluyen Volkswagen Group y Virginia Tech). Si sus cargas de trabajo son más generales, construir y comprar una implementación de POWER9 probablemente sea un mejor valor. Laboratorio Nacional de Oak Ridge Superordenador SUMMIT es un sistema impulsado por POWER9 y NVIDIA Volta planificado en 4600 nodos, con un rendimiento computacional superior a 40 teraflops por nodo.

Nota del editor: Este artículo fue actualizado por Veronica Combs.

Qubit brillante vibrante

Imagen: sakkmesterke, Getty Images / iStockphoto



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