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15 marzo 2021

Computación Cuántica e IA: una combinación transformacional

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Los ordenadores cuánticos están diseñados para realizar tareas de manera mucho más precisa y eficiente que los ordenadores convencionales, ofreciendo a los desarrolladores una nueva herramienta para aplicaciones específicas. A corto plazo, lejos de reemplazar a los tradicionales, los ordenadores cuánticos van a necesitar de éstos como apoyo a sus capacidades específicas, como la optimización de sistemas. [2]

La computación cuántica y la inteligencia artificial son tecnologías transformacionales y el nivel de progreso de la inteligencia artificial depende de los avances en computación cuántica. Aunque es posible desarrollar aplicaciones funcionales de inteligencia artificial utilizando ordenadores clásicos, éstas están limitadas por la capacidad de procesamiento de los ordenadores clásicos. La computación cuántica puede proporcionar el salto cualitativo y cuantitativo en términos de computación que la inteligencia artificial necesita para abordar problemas más complejos en muchos campos de los negocios y la ciencia. [4]

¿En qué consiste la computación cuántica?

La computación cuántica es una rama de estudio cuyo objeto es desarrollar tecnología informática a partir de los principios de la teoría cuántica. Según las leyes de la física cuántica, la tremenda capacidad de procesamiento de los ordenadores cuánticos se deriva de su capacidad de estar en múltiples estados y realizar tareas utilizando todas las permutaciones posibles de manera simultánea.

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La computación cuántica y la inteligencia artificial son tecnologías transformacionales y el ritmo de avance de la inteligencia artificial depende del progreso en computación cuántica

Una comparativa entre la computación clásica y la cuántica

La computación clásica se basa, en última instancia, en los principios del álgebra booleana. Los datos deben procesarse en un estado binario exclusivo en cualquier momento o bits. Aunque el tiempo que cada transistor o condensador necesita estar en 0 o 1 antes de cambiar de estado se puede medir en mil millonésimas de segundo, la rapidez con la que se puede hacer que estos dispositivos cambien de estado sigue estando limitada. A medida que se avanza en diseños más pequeños y rápidos, se comienzan a alcanzar los límites físicos de los materiales de los circuitos y el umbral hasta el que aplican las leyes clásicas de la física. A partir de ahí, entramos en el mundo cuántico. En un ordenador cuántico, se puede utilizar la carga o polaridad de partículas elementales – como electrones o fotones – para representar los ceros y/o los unos. Cada una de estas partículas se conoce como un bit cuántico, o qubit. La naturaleza y el comportamiento de estas partículas forman la base de la computación cuántica.

Superposición y entrelazamiento cuánticos

Los dos fenómenos clave de la física cuántica son los de la superposición y el entrelazamiento.

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La combinación de los fenómenos de superposición cuántica y entrelazamiento cuántico permite multiplicar exponencialmente la capacidad de procesamiento

Superposición: Podemos imaginar un qubit como un electrón dentro de un campo magnético. El sentido de giro (espín) del electrón puede estar alineado con el campo (estado giratorio hacia arriba, o spin-up), u opuesto a dicho campo (estado de giro hacia abajo, o spin-down). Según las teoría cuántica, la partícula entra en una superposición de estados, en la que se comporta como si estuviera en ambos estados simultáneamente. De esta manera, cada qubit utilizado podría adoptar los valores de 0 y 1 superpuestos.

Entrelazamiento: Aquellas partículas que hayan interactuado en algún momento retienen un tipo de conexión y pueden entrelazarse formando pares, a través de un proceso que se conoce como el de correlación. Dos partículas entrelazadas giran en sentido contrario. De esta manera, conociendo en qué dirección gira una se puede saber en qué dirección gira la otra. El entrelazamiento cuántico permite que qubits separados por distancias increíbles interactúen instantáneamente entre sí (sin estar limitados por la velocidad de la luz). Independientemente de la distancia que separe a las partículas correlacionadas, permanecen entrelazadas en tanto permanezcan aisladas. La combinación de los fenómenos de superposición cuántica y entrelazamiento cuántico permite multiplicar exponencialmente la capacidad de procesamiento Mientras que un registro de 2 bits en un ordenador normal sólo es capaz de almacenar una de las cuatro configuraciones binarias (00, 01, 10 u 11) en un momento determinado, un registro de 2 bits en un ordenador cuántico puede almacenar los cuatro números simultáneamente, porque cada qubit representa dos valores. Agregando más qubits, la capacidad se incrementa de manera exponencial[1

Las dificultades que plantean los ordenadores cuánticos

  • Interferencia – Durante la fase de cálculo de un cálculo cuántico, la más mínima perturbación en un sistema cuántico (por ejemplo, un fotón errante o una onda de radiación electromagnética) provoca el fallo del mismo, en un proceso que se conoce como decoherencia. Los ordenadores cuánticos deben estar totalmente aislados de toda interferencia externa durante la fase de cálculo.
  • Corrección de errores Dada la naturaleza de la computación cuántica, la corrección de errores es de vital importancia, dado que un único error en un cálculo puede invalidar la totalidad de la computación.
  • Observancia de salida – Íntimamente relacionado con los dos anteriores, la captura de los resultados del cálculo cuántico también entraña un riesgo de corrupción de datos.

Aplicaciones de la Computación Cuántica y la IA

El término “IA cuántica” hace referencia al uso de ordenadores cuánticos para los procesos de los algoritmos de aprendizaje automático. El objetivo es aprovechar la superioridad de procesamiento de la computación cuántica para obtener resultados inalcanzables con tecnologías informáticas clásicas. A continuación exponemos algunas de las aplicaciones de esta supercombinación de computación cuántica e IA [4]:

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Procesamiento de grandes series de datos

Producimos 2.5 exabytes de datos todos los días. Una cantidad equivalente a 250,000 Bibliotecas del Congreso o al contenido de 5 millones de portátiles. Cada minuto de cada día, los 3.200 millones de usuarios de Internet que hay en el mundo continúan alimentando los bancos de datos añadiendo 9.722 pines en Pinterest, 347.222 tweets, 4,2 millones de “likes” en Facebook, además de otra infinidad de datos en otros formatos, como fotos, videos, documentos, información para crear cuentas, etc. [3]

Los ordenadores cuánticos están diseñados para manejar grandes volúmenes de datos, además de descubrir patrones y detectar anomalías de manera extremadamente rápida. Las sucesivas iteraciones de los diseños de ordenadores cuánticos y mejoras en el código de corrección de errores cuánticos, están permitiendo a los desarrolladores sacar cada vez más provecho del potencial de los bits cuánticos. Al mismo tiempo, permiten optimizar dicho potencial para resolver todo tipo de problemas a los que se enfrentan las empresas en la toma de decisiones. [2]

Resolución más ágil de problemas complejos

Los ordenadores cuánticos son capaces de resolver en cuestión de segundos cálculos que a un ordenador actual le llevaría años. Con la computación cuántica, los desarrolladores pueden realizar simultáneamente múltiples cálculos a partir de datos de entrada múltiples. Los ordenadores cuánticos son fundamentales para procesar el torrente inabarcable de datos que las empresas generan a diario. En cuanto a la velocidad de cálculo, estos ordenadores son capaces de resolver rápidamente problemas extremadamente complejos. Esta capacidad es lo que se conoce como supremacía cuántica. Así, un ordenador cuántico puede llevar a cabo en 200 segundos cálculos que a un ordenador tradicional le llevarían 10.000 años. La clave está en traducir los problemas del mundo real a los que se enfrentan las empresas al lenguaje cuántico. [2] [6]

Mayor conocimiento de negocio y modelos empresariales mejorados

Con la creciente cantidad de datos generados en sectores como el farmacéutico, financiero y el de las ciencias de la vida, las empresas están perdiendo sus vínculos con la cuerda informática clásica. Para disponer de un mejor marco de datos, estas empresas ahora necesitan modelos complejos con un potencial de procesamiento suficiente para modelar las situaciones más complejas. Y ahí es donde los ordenadores cuánticos están llamados a tener un papel muy importante. La creación de mejores modelos con tecnología cuántica permitirá acelerar muchos procesos. Así, en el sector de la salud, permitirá recortar enormemente los ciclos de desarrollo de tratamientos de enfermedades, como en el caso de la COVID-19, acortando el ciclo de investigación, pruebas, seguimiento y tratamiento del virus. Por otro lado, en el sector bancario, ayudará a reducir los casos de implosión financiera, o a mejorar la cadena logística del sector manufacturero. [2]

Integración de múltiples series de datos

Para manejar e integrar múltiples series de datos de distintas fuentes, los ordenadores cuánticos también ofrecen gran ayuda, acelerando los procesos y facilitando el análisis.   La capacidad para manejar volúmenes de información tan compleja hace de la computación cuántica la opción ideal para resolver problemas comerciales en un amplio abanico de campos. [2]

El futuro

Se espera que el valor de mercado de la computación cuántica se sitúe en torno a los 2.200 millones de dólares en 2026. Para entonces, se calcula que habrá un total de alrededor de 180 ordenadores cuánticos instalados (45 de ellos producidos ese mismo año). Estas cifras incluyen tanto equipos instalados en las propias empresas de computación cuántica que ofrecen servicios cuánticos, como máquinas locales en las instalaciones de clientes. [5]

El acceso a servicios cuánticos alojados en la nube (Computación cuántica como servicio (QCaaS)) será la principal fuente de ingresos de las empresas de computación cuántica, representando el 75 por ciento de todos los ingresos de la computación cuántica en 2026. Aunque a largo plazo la adquisición de equipos cuánticos pase a ser una opción más frecuente, en la actualidad, el interés de los usuarios finales potenciales se centra más en el acceso a capacidades de computación cuántica a través de la nube, evitando realizar inversiones tecnológicamente arriesgadas y costosas en equipos de computación cuántica. [5]

En paralelo, en los próximos 5 años vamos a asistir a un auge en cuanto al número de aplicaciones de software cuántico, herramientas de desarrollo cuántico e ingenieros y expertos cuánticos, conforme vayan ampliándose las infraestructuras, y esto permitirá a más organizaciones aprovechar la potencia dos tecnologías transformacionales de computación cuántica e IA, por lo que multitud de universidades comenzarán a incorporar asignaturas de computación cuántica como materias troncales de sus planes de estudios.

Ahmed Banafa, Autor de los libros:

Secure and Smart Internet of Things (IoT) Using Blockchain and AI

Blockchain Technology and Applications

Referencias

[1] https://www.linkedin.com/pulse/quantum-computing-blockchain-facts-myths-ahmed-banafa/

[2] https://analyticsindiamag.com/will-quantum-computing-define-the-future-of-ai/

[3] https://www.analyticsinsight.net/ai-quantum-computing-can-enable-much-anticipated-advancements/

[4] https://research.aimultiple.com/quantum-ai/

[5] https://www.globenewswire.com/news-release/2020/11/17/2128495/0/en/Quantum-Computing-Market-is-Expected-to-Reach-2-2-Billion-by-2026.html

[6] https://ai.googleblog.com/2019/10/quantum-supremacy-using-programmable.html

 

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