Las computadoras no existen en el vacío. Sirven para resolver problemas y el tipo de problemas que pueden resolver están influenciados por su hardware. Los procesadores gráficos están especializados para renderizar imágenes; procesadores de inteligencia artificial para IA; y computadoras cuánticas diseñadas para… ¿para qué?
Si bien el poder de la computación cuántica es impresionante, no significa que el software existente simplemente se ejecute mil millones de veces más rápido. Más bien, las computadoras cuánticas tienen ciertos tipos de problemas que son buenos para resolver y aquellos que no lo son. A continuación se muestran algunas de las aplicaciones principales que deberíamos esperar ver a medida que esta próxima generación de computadoras esté disponible comercialmente.
Inteligencia artificial
Una aplicación principal de la computación cuántica es la inteligencia artificial (IA). La IA se basa en el principio de aprender de la experiencia, volviéndose más precisa a medida que se da la retroalimentación, hasta que el programa de computadora parece mostrar "inteligencia".
Esta retroalimentación se basa en calcular las probabilidades de muchas opciones posibles, por lo que la IA es un candidato ideal para la computación cuántica . Promete revolucionar todas las industrias, desde la automoción hasta la medicina , y se ha dicho que la IA será para el siglo XXI lo que la electricidad fue para el XX .
Por ejemplo, Lockheed Martin planea usar su computadora cuántica D-Wave para probar el software de piloto automático que actualmente es demasiado complejo para las computadoras clásicas, y Google está usando una computadora cuántica para diseñar software que pueda distinguir los autos de los puntos de referencia. Ya hemos llegado al punto en el que la IA está creando más IA , por lo que su importancia aumentará rápidamente.
Modelado molecular
Otro ejemplo es el modelado de precisión de interacciones moleculares, encontrando las configuraciones óptimas para reacciones químicas. Esta “química cuántica” es tan compleja que las computadoras digitales actuales sólo pueden analizar las moléculas más simples.
Las reacciones químicas son de naturaleza cuántica, ya que forman estados de superposición cuántica altamente entrelazados. Pero las computadoras cuánticas completamente desarrolladas no tendrían ninguna dificultad para evaluar incluso los procesos más complejos.
Google ya ha hecho incursiones en este campo simulando la energía de las moléculas de hidrógeno. La implicación de esto son productos más eficientes, desde células solares hasta fármacos, y especialmente la producción de fertilizantes; Dado que los fertilizantes representan el 2 por ciento del uso global de energía , las consecuencias para la energía y el medio ambiente serían profundas .
Criptografía
La mayor parte de la seguridad en línea depende actualmente de la dificultad de factorizar grandes números en números primos. Si bien esto se puede lograr actualmente mediante el uso de computadoras digitales para buscar a través de todos los factores posibles, el inmenso tiempo requerido hace que "descifrar el código" sea costoso y poco práctico.
Las computadoras cuánticas pueden realizar tal factorización exponencialmente de manera más eficiente que las computadoras digitales, lo que significa que estos métodos de seguridad pronto se volverán obsoletos. Se están desarrollando nuevos métodos de criptografía , aunque puede llevar tiempo: en agosto de 2015, la NSA comenzó a introducir una lista de métodos de criptografía resistentes a los cuánticos que resistirían las computadoras cuánticas, y en abril de 2016 el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología comenzó un proceso de evaluación pública. con una duración de cuatro a seis años.
También se están desarrollando métodos prometedores de cifrado cuántico utilizando la naturaleza unidireccional del entrelazamiento cuántico. Ya se han demostrado redes para toda la ciudad en varios países, y los científicos chinos anunciaron recientemente que enviaron con éxito fotones entrelazados desde un satélite "cuántico" en órbita a tres estaciones base separadas en la Tierra.
Modelamiento financiero
Los mercados modernos son algunos de los sistemas más complicados que existen. Si bien hemos desarrollado cada vez más herramientas científicas y matemáticas para abordar esto, todavía adolece de una diferencia importante entre otros campos científicos: no existe un entorno controlado en el que realizar experimentos.
Para solucionar este problema, los inversores y analistas han recurrido a la computación cuántica . Una ventaja inmediata es que la aleatoriedad inherente a las computadoras cuánticas es congruente con la naturaleza estocástica de los mercados financieros . Los inversores a menudo desean evaluar la distribución de resultados en una gran cantidad de escenarios generados al azar.
Otra ventaja que ofrece la tecnología cuántica es que las operaciones financieras como el arbitraje pueden requerir muchos pasos dependientes de la ruta, y el número de posibilidades supera rápidamente la capacidad de una computadora digital.
Predicción del tiempo
El economista jefe de la NOAA, Rodney F. Weiher, afirma que casi el 30 por ciento del PIB de EE. UU. ($ 6 billones) está directa o indirectamente afectado por el clima, lo que afecta la producción de alimentos, el transporte y el comercio minorista, entre otros. La capacidad de predecir mejor el clima beneficiaría enormemente a muchos campos, por no mencionar más tiempo para protegerse de los desastres.
Si bien este ha sido durante mucho tiempo un objetivo de los científicos, las ecuaciones que gobiernan estos procesos contienen muchas, muchas variables, lo que hace que la simulación clásica sea larga. Como señaló el investigador cuántico Seth Lloyd , "¡Usar una computadora clásica para realizar tal análisis podría llevar más tiempo del que tarda el tiempo real en evolucionar!" Esto motivó a Lloyd y sus colegas del MIT a demostrar que las ecuaciones que gobiernan el clima poseen una naturaleza ondulatoria oculta que son susceptibles de ser solucionadas por una computadora cuántica.
El director de ingeniería de Google Hartmut Neven también señaló que las computadoras cuánticas podrían ayudar a construir mejores modelos climáticos que podrían darnos más información sobre cómo los humanos influyen en el medio ambiente. Estos modelos son sobre los que construimos nuestras estimaciones del calentamiento futuro y nos ayudan a determinar qué pasos debemos tomar ahora para prevenir desastres.
La Oficina Meteorológica del servicio meteorológico nacional del Reino Unido ya ha comenzado a invertir en dicha innovación para satisfacer las demandas de potencia y escalabilidad que enfrentarán en el plazo de más de 2020, y publicó un informe sobre sus propios requisitos para la computación a exaescala.
Partículas fisicas
Cerrando el círculo, una aplicación final de esta nueva y emocionante física podría ser… estudiar física nueva y emocionante. Los modelos de física de partículas son a menudo extraordinariamente complejos, confunden soluciones de lápiz y papel y requieren una gran cantidad de tiempo de cálculo para la simulación numérica. Esto los hace ideales para la computación cuántica, y los investigadores ya se han aprovechado de esto.
Investigadores de la Universidad de Innsbruck y el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica ( IQOQI ) utilizaron recientemente un sistema cuántico programable para realizar dicha simulación . Publicado en Nature , el equipo utilizó una versión simple de una computadora cuántica en la que los iones realizaban operaciones lógicas, los pasos básicos en cualquier cálculo informático. Esta simulación mostró una excelente concordancia en comparación con los experimentos reales de la física descrita.
“Estos dos enfoques se complementan perfectamente”, dice el físico teórico Peter Zoller. “No podemos reemplazar los experimentos que se realizan con colisionadores de partículas. Sin embargo, al desarrollar simuladores cuánticos, es posible que algún día podamos comprender mejor estos experimentos ".
Los inversores ahora luchan por insertarse en el ecosistema de la computación cuántica , y no es solo la industria de la computación: los bancos, las empresas aeroespaciales y las empresas de ciberseguridad se encuentran entre los que se aprovechan de la revolución computacional.
Si bien la computación cuántica ya está afectando los campos enumerados anteriormente, la lista no es de ninguna manera exhaustiva, y esa es la parte más emocionante. Al igual que con todas las nuevas tecnologías, se desarrollarán aplicaciones actualmente inimaginables a medida que el hardware continúe evolucionando y creando nuevas oportunidades.
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