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A pesar de todos los avances en poder computacional, los científicos dicen que aún hay algunos problemas que son tan complejos que tomaría a una computadora regular toda la vida del universo resolverlos.

Ahí es cuando el poder del cómputo cuántico entra en acción: A través de la utilización de los principios de la física cuántica, los investigadores creen que una computadora cuántica podría resolver algunos de esos mismos problemas en cuestión de horas o tal vez minutos.

Krysta-Svore_Microsoft-Research

“Algunos de esos problemas, que creemos que son bastante complicados en una computadora digital, podrían ser sencillos en una computadora cuántica”, comentó Krysta Svore, investigadora senior que administra el Grupo de Arquitecturas y Computación Cuántica en Microsoft Research, también conocido como QuArC.

Aún no hay un trabajo a escala completa en cómputo cuántico, pero el potencial es tan grande que los científicos computacionales ya han comenzado a construir sistemas que permitirán a los científicos en cómputo cuántico entrar en acción conforme esté disponible.

En la conferencia SuperComputing 2015 en Austin, Texas, Dave Wecker, arquitecto líder en el equipo QuArC, discutirá el reciente lanzamiento al público de una suite de herramientas en GitHub que permita a los científicos computacionales simular las capacidades de una computadora cuántica. Este es un paso crucial en la construcción de las herramientas necesarias que corran en las computadoras cuánticas actuales.

“Esto es lo más cercano que podemos llegar a correr una computadora cuántica sin tener una”, comentó Wecker, que ha ayudado a desarrollar el software.

El software se llama Language-Integrated Quantum Operations (Operaciones Cuánticas Integradas en Lenguaje), o LIQUi|>. Los raros caracteres al final se refieren a cómo la operación cuántica es escrita en términos matemáticos.

Los investigadores esperan que, a través de LIQUi|>, los científicos computacionales en Microsoft y otros académicos e instituciones de investigación podrán perfeccionar los algoritmos que necesitan para utilizar de manera eficiente una computadora cuántica incluso aunque las computadoras estén en desarrollo de manera simultánea.

“Podemos crear algoritmos por adelantado previo a correrlos en la computadora”, comentó Svore.

Svore también espera que, ampliar la disponibilidad de los desarrolladores ayudará a más científicos computacionales y estudiantes a entrar al campo del cómputo cuántico porque tendrán una mayor noción de su potencial.

“Si no tienen manera de jugar con lo cuántico y entender su funcionamiento, no se sentirán atraídos por el cómputo cuántico”, mencionó Svore.

El amplio esfuerzo cuántico de Microsoft

LIQUi|> es uno de diferentes proyectos de cómputo cuántico que los investigadores de Microsoft han encabezado por más de una década, en su búsqueda por crear la siguiente generación del cómputo que tendrá un profundo efecto en la sociedad.

Junto con el grupo de investigación QuArC, el laboratorio de investigación de Microsoft, llamado Station Q, dirigido por el renombrado matemático Michael Freedman, persigue un enfoque llamado cómputo cuántico topológico que creen será más estable que otros métodos de cómputo cuántico.

La idea es diseñar software, hardware y otros elementos de cómputo cuántico al mismo tiempo.

Dave Wecker ayudó a desarrollar un sistema para simular una computadora cuántica.
Dave Wecker ayudó a desarrollar un sistema para simular una computadora cuántica.

“Esto no solo es, ‘Crea los qubits’. Esto es, ‘Crea el sistema’”, mencionó Wecker.

Un qubit es una unidad de información cuántica y es la pieza clave para el cómputo cuántico. A través de los qubits, los investigadores creen que las computadoras cuánticas podrían evaluar de manera rápida múltiples soluciones para un problema al mismo tiempo, en lugar de hacerlo de manera secuenciada. Esto podría dar a los científicos la posibilidad de realizar cálculos complejos a alta velocidad, permitir a biólogos, físicos y químicos a obtener información que nunca pensaron posible tener.

Fertilizante, baterías y cambio climático

Tomen como ejemplo al fertilizante. Los fertilizantes son cruciales para alimentar a la creciente población mundial porque permiten a las plantas crecer mejor y más rápido. Pero el fertilizante sintético se apoya en el gas natural, y utiliza mucho: Es caro, disminuye un importante recurso natural y contamina.

A través de una computadora cuántica, Wecker comentó que los científicos creen que podrían mapear el químico utilizado por la bacteria que crea los fertilizantes de manera natural, lo que facilitaría la creación de un fertilizante sintético alternativo al actual, que está basado en gas natural.

El increíble poder de las computadoras cuánticas también podría ser utilizado para descubrir cómo crear baterías orgánicas que no se apoyen en el litio, y Wecker comentó que podrían ayudar a crear sistemas para capturar las emisiones de carbono de manera efectiva y reducir de manera potencial los efectos del cambio climático.

Los investigadores creen que las computadoras cuánticas serían ideales para retos como este, que involucran el mapeo de complejos sistemas físicos, pero también saben que no serían la mejor opción para todos los problemas computacionales. Esto es debido a que las computadoras cuánticas operan de manera muy diferente a como lo hacen las computadoras digitales clásicas.

Aunque las computadoras cuánticas pueden procesar datos mucho más rápido, es más difícil obtener los resultados de sus cálculos debido a la manera en la que los qubits están estructurados. Una persona que utiliza un sistema cuántico necesita brindar la pregunta correcta para poder recibir de manera eficiente la respuesta que busca.

Por el momento, los científicos de cómputo cuántico también batallan para crear sistemas que puedan correr muchos qubits. Debido a que los qubits son en esencia un recurso escaso, Svore dijo que otro gran foco de investigación se encuentra en cómo minimizar el número de qubits necesarios para crear cualquier algoritmo o cálculo. Ese también es uno de los focos principales de Station Q, que utiliza un área de la matemática llamada topología para encontrar maneras de utilizar menos qubits.

Wecker comentó que esa es otra gran ventaja de un sistema como LIQUi|>: Ayudará a los investigadores a descubrir el mejor uso para estas computadoras únicas.

“ LIQUi|> nos ayuda a entender qué puede ser resuelto de mejor manera con una computadora cuántica”, comentó.

Los científicos computacionales, académicos y desarrolladores interesados en explorar la suite de herramientas de LIQUi|>: pueden hacerlo aquí.