En este artículo invitado especial, Elizabeth Ruetsch, directora general de Quantum Engineering Solutions en Keysight Technologies, ofrece una introducción a la tecnología cuántica y proporciona una inmersión profunda en la importancia, los beneficios, los riesgos de seguridad y el potencial disruptivo de la tecnología cuántica. Elizabeth ha estado activa en la industria electrónica durante 28 años, 22 de ellos en puestos gerenciales relacionados con asignaciones en HP, Agilent y, durante los últimos ocho años, en Keysight. Hasta 2020, cada uno de esos puestos implicaba responsabilidades significativas en ventas, marketing y planificación de productos, donde operaba desde sus bases en Boston, Colorado Springs, Beijing y ahora Santa Rosa. En su cargo actual, se centra en trabajar con clientes de los sectores aeroespacial, de defensa, universitario y comercial en desarrollos relacionados con la tecnología cuántica, una familia de tecnologías avanzadas que, aunque son excepcionalmente prometedoras, todavía son en gran medida precomerciales. Elizabeth, a quien sus colegas conocen como Liz, tiene un BSEE de Rutgers, un MBA de la Universidad de Boston.
La palabra «cuántico» se utiliza como término general para referirse al campo emergente de tecnologías que aprovechan la mecánica cuántica para desarrollar capacidades fundamentalmente nuevas en campos establecidos como la informática, las comunicaciones, la detección, la industria farmacéutica, la química y la investigación de materiales.
En su sentido literal, la palabra «cuántico» se refiere a la unidad o entidad más pequeña en un sistema físico que describimos usando la mecánica cuántica. La razón por la que los físicos tenemos una formulación separada de la mecánica para el mundo cuántico es porque en la escala de partículas muy, muy pequeñas, las reglas de la física clásica no se aplican necesariamente, y observamos un comportamiento nuevo y extraño que no podemos explicar con la física clásica. física. Dichos fenómenos incluyen la interferencia cuántica y el entrelazamiento que permite que partículas que pueden estar muy separadas se unan entre sí.
¿Cuál es la promesa de la cuántica? ¿Por qué es importante?
La promesa de la cuántica es ir más allá de los límites de la física clásica aprovechando estas propiedades mecánicas cuánticas de la materia. Según el contexto, esto puede ofrecer formas completamente nuevas de procesar la información que tiene el potencial de ser más rápido y más eficiente en el uso de los recursos, lo que nos permitiría, por ejemplo, calcular cosas que nunca antes habíamos podido calcular, como el formación de proteínas o predecir el comportamiento complejo de los sistemas financieros.
¿Dónde está el potencial disruptivo de la cuántica?
Hay bastantes áreas en las que la tecnología cuántica puede ser potencialmente disruptiva. Para nombrar solo algunos, considere:
- Optimización: las computadoras cuánticas podrían ser capaces de resolver problemas difíciles de optimización mucho más rápido y permitirnos incluso resolver problemas que están completamente fuera de nuestro alcance hoy en día (en términos de los recursos informáticos clásicos necesarios).
- Investigación y modelado farmacéutico/químico: la simulación cuántica puede ayudarnos a comprender cómo se forman las moléculas y las proteínas y conducir a avances en química y biología, descubrimiento de fármacos y atención médica.
- Ciberseguridad: una poderosa computadora cuántica podría potencialmente romper los protocolos de encriptación existentes que dependen de la factorización de grandes números, como los protocolos de encriptación basados en RSA. En este momento, no existe una computadora o algoritmo clásico que pueda hacer esto en un período de tiempo razonable, por lo que tenemos la oportunidad de desarrollar tipos de cifrado completamente nuevos para mantener la información segura.
¿Cuáles son los beneficios de la computación cuántica? ¿Cuáles son los riesgos asociados con esta tecnología?
La computación cuántica promete eficiencia en el poder de procesamiento. La capacidad de procesar información más rápido abre la posibilidad de impulsar campos como la investigación fundamental, la optimización, la tecnología de la información y la industria farmacéutica más allá de lo que imaginamos posible mientras teníamos solo computadoras clásicas.
Hay riesgos previstos para la seguridad. Se sabe teóricamente que una computadora cuántica a gran escala puede descifrar el cifrado de la NSA. Un gran desafío pendiente en la actualidad es la creación de protocolos de seguridad que sean seguros tanto para las computadoras clásicas como para las cuánticas.
Los riesgos imprevistos son que existen muchas aplicaciones aún no imaginadas para una computadora sustancialmente más poderosa. La fortaleza de una computadora cuántica es el procesamiento de Big Data, lo que puede tener implicaciones en la privacidad personal.
Por ejemplo, aproximadamente el 1% del consumo de energía de EE. UU. se destina a la producción de fertilizantes. Este proceso es ineficiente en parte debido a la complejidad de la simulación de la reacción química a nivel mecánico cuántico. Se podría usar una computadora cuántica para simular procesos biológicos/químicos, como la fijación de nitrógeno en la nitrogenasa, aumentando así la eficiencia en la producción y conduciendo a un enfoque más ecológico.
¿Qué avances técnicos se necesitan para llevar la computación cuántica de una existencia de nicho a la corriente principal?
En este momento, estamos fundamentalmente limitados por la estabilidad de los sistemas cuánticos a lo largo del tiempo y nuestra capacidad para controlarlos con precisión. La sensibilidad única de los sistemas cuánticos a su entorno es lo que los hace tan poderosos para la computación, pero también es lo que los hace difíciles de controlar con un alto grado de precisión. Debido a esto, las computadoras cuánticas actuales son muy pequeñas (constan solo de decenas de bits cuánticos o qubits; las computadoras clásicas tienen cientos de millones de bits), y los cálculos que podemos realizar con estos pequeños sistemas a menudo son inexactos.
Para llevar la computación cuántica de su existencia de nicho a la corriente principal, debemos aprender cómo aislar mejor los sistemas cuánticos de su entorno y, al mismo tiempo, cómo controlarlos con un grado de precisión mucho mayor. Necesitamos reducir los errores que observamos en los cálculos cuánticos y luego escalar el sistema a cientos de millones de qubits.
¿Cómo podemos superar estos desafíos?
Necesitamos superar el problema del error en los cálculos cuánticos a través de innovaciones en hardware y software de computación cuántica. Se necesita más investigación para comprender los procesos de error que ocurren en los sistemas cuánticos y cómo construir hardware que sea más resistente a esos errores. Al mismo tiempo, se necesitan avances en el software y en cómo implementamos ciertos algoritmos a medida que alcanzamos los límites físicos de las capacidades de fabricación de chips.
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