Què hi ha de nou a la informàtica quàntica?


Què aprendràs:

  • Com les empreses poden adoptar una estratègia d’exploració del quàntic com a pòlissa d’assegurança.
  • Les indústries clau en les quals els ordinadors quàntics estan a prop d’aportar valor comercial real.
  • Quins conceptes del disseny electrònic són més rellevants per a la informàtica quàntica?

Els ordinadors quàntics ofereixen avantatges competitius tentadors a aquelles empreses que dominen el seu ús. Tant els governs, les institucions acadèmiques com les empreses privades estan invertint en un futur quàntic.

Com a recordatori, els ordinadors quàntics funcionen amb qubits (bits quàntics) semblants als transistors o bits clàssics. Aquests qubits són operats per portes quàntiques, igual que les portes lògiques dels ordinadors clàssics. El nombre de qubits en un ordinador quàntic és una bona primera aproximació a la potència de l’ordinador. La fidelitat, o taxa d’error, de les portes també és un paràmetre important.

Diversos venedors estan treballant en diverses maneres, sovint anomenades modalitats, de crear un gran nombre de qubits estables. Algunes d’aquestes modalitats de qubit inclouen trampa d’ions (IonQ), superconductora (IBM), fotònica (PsiQuantum i Xanadu), àtoms freds (ColdQuanta i Atom Computing) i topològics (Microsoft). Entre els últims anuncis hi ha IBM arriba als 127 qubitsMicrosoft aconseguint un fita important en els qubits topològicsi informes IonQ augment de la fidelitat dels seus qubits.

Tot i que aquests són només punts de referència provisionals, ens apropen a poder oferir un veritable valor empresarial des dels ordinadors quàntics. Tot i que encara es necessiten molts avenços en el maquinari, alguns prediuen que només 420 qubits serien suficients per superar els superordinadors capaços de 1018 operacions de coma flotant per segon.

Una altra implicació important és que s’està començant a formar un abisme entre els ordinadors quàntics i els ordinadors clàssics. En termes generals, qualsevol programari que es pugui escriure per a un ordinador quàntic de 50 qubits es pot simular en un ordinador clàssic. Però a mesura que arribem als 100, 200 qubits i més enllà, aquesta simulació ja no és possible.

Estem entrant en un territori inexplorat pel que fa al que es pot fer amb els ordinadors quàntics, així com a qüestions pràctiques com ara com depurar un programa que no es pot simular, com provar que els algorismes s’escalen correctament amb el nombre de qubits, i més.

Per què els ordinadors quàntics es consideren una tecnologia estratègica?

Les perspectives de desenvolupar nous compostos i millors bateries de vehicles elèctrics, optimitzar la cadena de subministrament per aconseguir reduccions substancials de costos, obtenir una anàlisi de risc més precisa o obtenir noves idees de l’aprenentatge automàtic quàntic són interessants tant per als gestors empresarials com per als CTO.

El mateix passa no només per a les empreses, sinó també per als països. Molts governs veuen la computació quàntica com una tecnologia estratègica i habilitadora i han iniciat programes quàntics nacionals. A principis d’aquest any, els governs de tot el món han invertit més 25.000 milions de dòlars en tecnologia quàntica, amb la Xina (15 milions de dòlars) i la Unió Europea (7 milions de dòlars) al capdavant.

L’adm. Michael Rogers (USN, Ret.), antic director de l’Agència de Seguretat Nacional, diu “Moltes nacions d’arreu del món, especialment les més industrialitzades o les més desenvolupades [ones], han identificat el quàntic com una tecnologia que un cop perfeccionada té un impacte important tant econòmic com de seguretat nacional i que hi haurà avantatges per tenir aquests conjunts de capacitats. Sobretot si pots fer-ho abans que part de la teva competència, tant si aquesta competència és des d’una perspectiva econòmica, des d’una perspectiva de seguretat nacional o des d’una perspectiva d’espionatge”.

Adonant-se del potencial del quàntic, diverses empreses estan adoptant una estratègia d’exploració del quàntic com a pòlissa d’assegurança. Igual que en una pòlissa d’assegurança normal, es paga una petita quantitat en relació al cost potencial d’un esdeveniment advers.

Així, les empreses estan explorant la prova de conceptes i formant la seva gent. Creuen que aquestes inversions relativament modestes poden ajudar-los a evitar situacions en què estan irremediablement per darrere dels competidors, on els costa trobar gent qualificada o on es troben en una terrible desavantatge.

Realment podeu trencar el xifratge RSA amb un ordinador quàntic? Aquests ordinadors tenen altres usos relacionats amb la ciberseguretat?

Sí, els ordinadors quàntics tenen el potencial de trencar el xifratge RSA que assegura la majoria de transaccions financeres a tot el món. El xifratge RSA utilitza dos nombres primers grans, coneguts només per l’emissor i el destinatari. El producte d’aquests dos números es fa públic, però els dissenyadors de RSA confiaven que cap màquina seria capaç de factoritzar-lo sense gastar diversos milers de milions d’anys.

Però els ordinadors quàntics tenen propietats úniques, anomenades superposició, entrellaçament i interferència. Els desenvolupadors d’algoritmes utilitzen aquestes propietats per crear algorismes que superen de manera espectacular els seus homòlegs clàssics. Un d’aquests algorismes, anomenat algorisme de Shor, és un mètode per trobar factors primers d’un nombre molt més eficient que un ordinador clàssic, i per tant trencar el codi RSA.

Esperem que els ordinadors quàntics prou grans requereixen només uns quants minuts per trencar RSA, mentre que un ordinador clàssic pot trigar milers de milions d’anys. No obstant això, aquests ordinadors encara falten anys, la qual cosa dóna temps a les empreses per preparar-se per a aquest canvi.

De fet, les empreses han estat treballant en mètodes de comunicació anomenats “resistents al quàntic”, és a dir, que els ordinadors quàntics no els podrien trencar. Per exemple, JP Morgan Chase, Toshiba i Ciena va executar amb èxit una prova de concepte per a la distribució de claus quàntiques, que és una defensa provada matemàticament contra un atac de ciberseguretat de computació quàntica. És important respectar el poder de la informàtica quàntica, però no us perdeu la son amb l’algoritme de Shor que trenca els nostres sistemes financers d’un dia per l’altre.

Quant abans es pot tenir un ordinador quàntic?

La majoria dels ordinadors quàntics actuals estan allotjats al núvol. I, com que la taxa de canvi de maquinari és tan gran, té sentit mantenir-la així. Tot i que alguns nous avenços fan possible que funcionin ordinadors quàntics més petits a temperatura ambientestem força lluny de l’època dels ordinadors quàntics personals.

Els ordinadors quàntics basats en núvol faciliten experimentar amb la tecnologia quàntica sense gastar grans quantitats de diners per comprar-los. De fet, moltes empreses ara consideren el quàntic com una despesa operativa, en lloc d’una despesa de capital.

L’allotjament al núvol facilita l’execució del que es coneix com a algorismes híbrids. Utilitzen mètodes de computació quàntica i clàssica per combinar els avantatges de cada tecnologia

Quan aviat els ordinadors quàntics oferiran un veritable valor comercial i en quines àrees s’espera això?

Tot i que es preveu l’impacte realment innovador de la informàtica quàntica d’aquí a una dècada, una àmplia gamma d’indústries estan explorant molts casos d’ús. Algunes empreses estan fent els primers passos de la implementació.

Un sector que està adoptant la informàtica quàntica és l’àmbit financer. JP Morgan Chase & Co., per exemple, està integrant el seu marc amb tecnologia quàntica per a l’optimització de la cartera i les opcions financeres de preus. NTT Data ha explorat l’anàlisi del risc de crèdit. Goldman Sachs compta amb un gran equip d’experts quàntics. Algunes organitzacions, com el gegant de les assegurances AXAvan entendre la promesa del quàntic i estan prenent una visió llarga: realitzant proves de conceptes, creant suport dins de l’organització i educant diverses unitats comercials.

En el sector de l’automoció, empreses com Volkswagen estan construint competències quàntiques internes. Ho va fer després que una prova de conceptes reeixida demostrés que l’ús d’optimització logística i aprenentatge automàtic quàntic pot minimitzar els costos de producció i predir els patrons de trànsit per als vehicles autònoms. Volkswagen també va utilitzar la informàtica quàntica soptimització reeixida de la seva programació de taller de pintura. BMW ha completat recentment un repte quàntic centrat en diverses àrees, com ara la col·locació del sensor, la gestió de la configuració i molt més.

El poder de la computació quàntica també es pot veure quan es simula les interaccions entre molècules. Aquest tipus d’investigació pot ajudar els científics a entendre millor la naturalesa d’aquest món, descobrint noves molècules per a bateries de vehicles elèctrics més eficients i potents o per farmacèutica ús, reduint el temps dedicat a les primeres fases dels assaigs a la recerca de possibles substàncies. A més, les empreses energètiques i logístiques han trobat que el quàntic és una manera intrigant de fer-ho optimitzar la cadena de subministrament.

El moment en què els ordinadors quàntics superen els seus homòlegs clàssics no depèn estrictament del recompte de qubits. També necessitem que aquests sistemes siguin escalables i duradors.

Els ordinadors quàntics d’avui són sorollosos, el que significa que la fidelitat del seu càlcul es pot veure fàcilment afectat per petites imperfeccions o petits canvis ambientals. Com a resultat, molts experiments de computació quàntica utilitzen algorismes híbrids quàntics/clàssics. Hi ha molt a guanyar en utilitzar ordinadors quàntics per a una petita part dels càlculs i deixar que els ordinadors clàssics s’ocupin de la resta.

Hi ha una expectativa generalitzada que cada mes les empreses quàntiques millorin els seus ordinadors quàntics: més qubits, menys soroll, major fidelitat. Tot i que encara es desconeix el temps fins a la veritable utilitat quàntica, es tracta principalment de quan, no de si.

Tot i que l’ordinador quàntic per a la gent quotidiana encara és un somni de futur, algunes inversions ja estan donant els seus fruits.

Quins són els reptes clau per crear i treballar amb ordinadors quàntics Nex-Gen?

El repte més evident per arribar al punt en què la informàtica quàntica produeixi canvis massius i reals és l’escalabilitat del maquinari. Un ús real i potent només es pot aconseguir amb sistemes més grans i complexos. I hi ha molt a fer per fer créixer aquests sistemes alhora que es redueixen els errors i el soroll.

Els físics quàntics estan treballant dur dissenyant noves solucions a mesura que sorgeixen més problemes. Estan creant qubits més estables, portes quàntiques més precises i sistemes físics més compactes i escalables.

No és fàcil construir sistemes més grans: més qubits significa més partícules a les quals es tendeixen. Cada addició al sistema pot afectar les capacitats dels qubits per interactuar entre ells de manera productiva o pot introduir tot tipus d’errors.

També hi ha la necessitat de sistemes criogènics més grans i eficients per als venedors de maquinari que tracten amb temperatures properes al zero absolut. Més qubits significa més cables i equips que cal emmagatzemar en aquestes cambres fredes, que no són fàcils ni barats de fer.

I a mesura que aquests sistemes augmenten, el procés de creació del programari per a ordinadors més grans es fa més difícil. Avui en dia, la majoria del programari està dissenyat especificant explícitament les connexions dels qubits a les portes quàntiques, o combinant blocs de codi escrits prèviament. A mesura que els sistemes es fan més grans, aquest procés manual es fa difícil i aviat es convertirà en gairebé impossible.

Si pensem en analogies d’altres disciplines, aquesta progressió no és sorprenent. No és difícil escriure unes quantes línies de codi en llenguatge assemblador, però no voldríeu escriure una simulació matemàtica d’aquesta manera. És relativament fàcil connectar unes quantes portes digitals AND, OR i NOR, però no és així com les empreses dissenyen CPU de gamma alta. El procés d’escriptura de programari haurà d’evolucionar.

Quins conceptes de disseny electrònic podrien ser aplicables a la informàtica quàntica?

Quan s’aprèn sobre circuits electrònics digitals, el disseny pràctic basat en la porta és crucial per desenvolupar una comprensió bàsica dels conceptes digitals. Tanmateix, un cop apresos els conceptes bàsics, molt poques persones dissenyen sistemes grans i significatius connectant portes lògiques discretes.

En canvi, les solucions reals s’implementen mitjançant l’especificació de models funcionals d’alt nivell, mentre que les solucions de disseny assistit per ordinador (com les de Cadence o Synopsys) s’encarreguen del pes de la síntesi d’aquest sistema a partir del disseny funcional. Un ordinador pot fer un treball molt millor a l’hora de trobar implementacions adequades per al model funcional, minimitzar el nombre de portes o complir altres restriccions de disseny que són importants per al dissenyador humà.

Empreses com Classiq comencen a aplicar aquest mètode a la informàtica quàntica, sintetitzant circuits quàntics de nivell de porta sofisticats a partir de models funcionals d’alt nivell. Apliquen mètodes similars per convertir models en circuits alhora que compleixen un conjunt de restriccions (com ara el nombre de qubits o el tipus de portes que s’utilitzen) i optimitzen el circuit per a la plataforma de maquinari escollida.

Sense el programari adequat, els ordinadors quàntics podrien ser inútils, així que és bo veure que la capacitat d’escriure programari sofisticat progressa al costat de les millores de maquinari.

La informàtica quàntica és una tecnologia que canvia el joc per a aquells que l’aprofiten. No esperis a començar.