?Para qu¨¦ sirve la computaci¨®n cu¨¢ntica?

Cuando el f¨ªsico estadounidense Theodore Harold Maiman desarroll¨® y patent¨® el primer l¨¢ser en 1960, la comunidad cient¨ªfica lo recibi¨® como ¡°una soluci¨®n a la espera de un problema¡±. Tan solo un a?o despu¨¦s, el problema lleg¨® y se us¨® para operar un tumor ocular. Hoy est¨¢ presente en todas las ¨¢reas, desde tecnolog¨ªas para desviar rayos hasta las redes de telecomunicaciones o la industria militar o la del entretenimiento. Con la computaci¨®n cu¨¢ntica sucede algo parecido. A¨²n no se puede hablar de un ordenador cu¨¢ntico robusto y tolerante a fallos, pero la apuesta por este sistema es firme y las principales empresas que desarrollan tecnolog¨ªa cu¨¢ntica (Google, IBM, Intel, Amazon y Microsoft, entre otras) ofrecen sus servicios para extender su utilizaci¨®n, favorecer el desarrollo aplicaciones y tecnolog¨ªas y para estar ah¨ª cuando el mercado emerja, que ser¨¢ pronto, en esta d¨¦cada si se cumplen las mejores expectativas. La computaci¨®n cu¨¢ntica ya tiene usos en investigaci¨®n m¨¦dica, farmacolog¨ªa, industria, finanzas, qu¨ªmica y f¨ªsica.

Google. Cuenta con un equipo que ha firmado algunos de los principales avances en este campo (Google Quantum Artificial Intelligence) y ha desarrollado varias versiones de Sycamore, un procesador programable que puede ejecutar algoritmos de simulaci¨®n de f¨ªsica y qu¨ªmica, as¨ª como aplicaciones en aprendizaje autom¨¢tico generativo, entre otras ¨¢reas. Google forma especialistas para trabajar con estos procesadores y las aplicaciones se generan en c¨®digo abierto (open source). ¡°Hemos desarrollado un simulador, de manera que cualquiera puede ir a nuestra p¨¢gina web, pinchar en un enlace y empezar a programar. Todo esto, ahora mismo, es c¨®digo abierto y gratis para fomentar que las aplicaciones se vayan desarrollando en todos los pa¨ªses¡±, explica Sergio Boixo, f¨ªsico espa?ol integrante del grupo de investigaci¨®n de Google Quantum Artificial Intelligence (AI).

El procesador Google Sycamore se ha utilizado para la primera simulaci¨®n cu¨¢ntica de un agujero de gusano, publicada en Nature para comprobar ¡°que las propiedades de un sistema cu¨¢ntico coinciden con lo que se espera en un sistema gravitacional¡±, seg¨²n Maria Spiropulo, f¨ªsica del Instituto de Tecnolog¨ªa de California (Caltech).

Tambi¨¦n el profesor de qu¨ªmica de Columbia David Reichman y Joonho Lee, con investigadores de Google Quantum AI, han utilizado 16 c¨²bits del Sycamore para hallar el estado de energ¨ªa m¨¢s bajo de una mol¨¦cula (Nature). ¡°Son los c¨¢lculos de qu¨ªmica cu¨¢ntica m¨¢s grandes que se han realizado en un dispositivo real¡±, afirma Reichman.

Por su parte, cient¨ªficos de la Universidad T¨¦cnica de M¨²nich (TUM) y la Universidad de Nottingham han simulado estados de materia cu¨¢ntica (Science). ¡°Los procesadores cu¨¢nticos, a corto plazo, representar¨¢n una plataforma ideal para explorar la f¨ªsica de la materia. En un futuro pr¨®ximo, prometen resolver problemas que est¨¢n m¨¢s all¨¢ del alcance de las supercomputadoras cl¨¢sicas actuales¡±, asegura Frank Pollmann , profesor de la TUM.

IBM. La multinacional dispone del IBM Quantum Network para que los clientes y socios puedan acceder a la computaci¨®n cu¨¢ntica de esta compa?¨ªa, que trabaja ya en el C¨®ndor, que ser¨¢ el primer procesador universal de m¨¢s de 1.000 c¨²bits. Qiskit, la comunidad cu¨¢ntica de programas de c¨®digo abierto de IBM tiene 1,8 millones de descargas para desarrollar aplicaciones. ¡°En el Quantum Network ya hay m¨¢s de 200 instituciones, desde grandes empresas a laboratorios, universidades y socios estrat¨¦gicos en todo el mundo¡±, afirma Dar¨ªo Gil, vicepresidente de IBM y director de la divisi¨®n de investigaci¨®n (IBM Research) que desarrolla la computaci¨®n cu¨¢ntica de esta compa?¨ªa. Entre ellas se encuentran Boeing, para investigar nuevos materiales, BP para eficiencia energ¨¦tica o Daimler para desarrollo de bater¨ªas.

Cleveland Clinic e IBM han desplegado la primera computadora cu¨¢ntica en el sector m¨¦dico privado en los Estados Unidos. ¡°El ritmo actual de los descubrimientos cient¨ªficos es inaceptablemente lento, mientras que nuestras necesidades de investigaci¨®n est¨¢n creciendo exponencialmente. No podemos darnos el lujo de emplear una d¨¦cada o m¨¢s pasando de una idea de investigaci¨®n en un laboratorio a terapias en el mercado. Quantum ofrece un futuro para transformar este ritmo, particularmente en el descubrimiento de f¨¢rmacos y el aprendizaje autom¨¢tico¡±, asegura Lara Jehi, directora de Informaci¨®n de Investigaci¨®n de la entidad m¨¦dica.

Pouyan Ghaemi, f¨ªsico del City College de Nueva York, ha utilizado las computadoras cu¨¢nticas de IBM para estudiar y predecir c¨®mo evoluciona el estado de un gran n¨²mero de part¨ªculas cu¨¢nticas que interact¨²an con el tiempo. ¡°Nuestro algoritmo de computaci¨®n cu¨¢ntica abre una nueva v¨ªa para estudiar las propiedades de los materiales resultantes de fuertes interacciones entre electrones. Como resultado, potencialmente, puede guiar la b¨²squeda de materiales ¨²tiles, como superconductores de alta temperatura¡±, explica Ghaemi, que public¨® su investigaci¨®n en Physical Review Letters.

Guillermo Garc¨ªa-P¨¦rez , f¨ªsico en la Universidad de Helsinki, en colaboraci¨®n con IBM, ha publicado en PRX Quantum, una f¨®rmula para reducir el n¨²mero de c¨¢lculos necesarios para leer los datos almacenados en el estado de un procesador cu¨¢ntico. ¡°Aprovechamos al m¨¢ximo cada muestra combinando todos los datos producidos. Al mismo tiempo, ajustamos la medici¨®n para producir estimaciones altamente precisas. Juntando estos ingredientes, podemos disminuir el tiempo de ejecuci¨®n esperado en varios ¨®rdenes de magnitud¡±, explica Garc¨ªa-P¨¦rez.

Intel. Tras lanzar su versi¨®n beta en septiembre de 2022, Intel Quantum ha lanzado en febrero la versi¨®n 1.0 del Kit de Desarrollo de Software (SDK, por sus siglas en ingl¨¦s), disponible en Intel Developer¡¯s Cloud. El SDK, seg¨²n la compa?¨ªa, es un ordenador cu¨¢ntico en simulaci¨®n que tambi¨¦n puede ejecutar algoritmos h¨ªbridos cu¨¢ntico-cl¨¢sicos. El Intel Quantum Simulator (IQS) es capaz de albergar 32 c¨²bits en un solo nodo y m¨¢s de 40 en varios nodos.

¡°El SDK Intel Quantum ayuda a los programadores a prepararse para los ordenadores cu¨¢nticos comerciales a gran escala del futuro. No s¨®lo ayuda a los desarrolladores a aprender a crear algoritmos y aplicaciones cu¨¢nticas en simulaci¨®n, sino que tambi¨¦n hace avanzar a la industria creando una comunidad de desarrolladores que acelerar¨¢ el desarrollo de aplicaciones¡±, afirma Anne Matsuura, directora de Aplicaciones y Arquitectura Cu¨¢ntica en Intel Labs.

El Instituto de Tecnolog¨ªa Deggendorf de Munich, ha utilizado el SDK para explorar la din¨¢mica de fluidos en problemas de hidrodin¨¢mica y aerodin¨¢mica. Tambi¨¦n investiga casos de uso cu¨¢ntico para la eliminaci¨®n de ruido de im¨¢genes y la generaci¨®n de im¨¢genes realistas, as¨ª como la resoluci¨®n de problemas de b¨²squeda no estructurados, aprendizaje autom¨¢tico, simulaci¨®n de materiales y problemas de astrof¨ªsica. ¡°El SDK Intel Quantum cambia las reglas del juego en el ¨¢mbito del desarrollo cu¨¢ntico porque permite al desarrollador operar a un nivel m¨¢s cercano al hardware para aprovechar mejor los recursos¡±, afirma Yaknan Gambo, estudiante de posgrado del Instituto de Tecnolog¨ªa Deggendorf.

Intel trabaja con otras cuatro universidades para desarrollar planes de estudios y expandir el uso de la computaci¨®n cu¨¢ntica en el mundo acad¨¦mico: Pensilvania, Keio, Estatal de Ohio y Estatal de Pensilvania.

Microsoft. Azure Quantum es la plataforma de computaci¨®n cu¨¢ntica en la nube de Microsoft. El Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA utiliza la tecnolog¨ªa cu¨¢ntica de esta multinacional para explorar formas de comunicarse de manera m¨¢s eficiente con las naves espaciales a trav¨¦s de la Red de Espacio Profundo (DSN), un entramado global de grandes antenas de radio ubicadas en California, Espa?a y Australia.

Tambi¨¦n se utiliza en el ¨¢mbito m¨¦dico. ¡°Los algoritmos optimizados de inspiraci¨®n cu¨¢ntica resuelven, de verdad, nuestros problemas dif¨ªciles y permiten que la imagen por resonancia magn¨¦tica sea m¨¢s r¨¢pida, econ¨®mica y eficaz¡±, explica el radi¨®logo Mark Griswold.

Y en la industria. Para Patrick Ellis, director de Ford Research, la ventaja cu¨¢ntica es que es capaz de aportar soluciones en ¡°¨¢reas problem¨¢ticas, d¨®nde est¨¢ realmente el valor¡±.

Amazon Web Services. Despu¨¦s de 17 a?os, Amazon Web Services (AWS) cuenta con m¨¢s de 200 servicios completos para computaci¨®n, desde 99 Zonas de Disponibilidad dentro de 31 regiones geogr¨¢ficas, incluida la recientemente abierta Regi¨®n de infraestructura de AWS en Espa?a con varios centros de datos. A estas regiones se incorporar¨¢n Canad¨¢, Israel, Malasia, Nueva Zelanda y Tailandia.

Hace cuatro a?os incorpor¨® Amazon Braket, creado para acelerar la investigaci¨®n cient¨ªfica y la inform¨¢tica. Este es un servicio completamente administrado que permite el uso de diferentes computadoras cu¨¢nticas y simuladores. Adem¨¢s, cuentan con un equipo de ayuda (Amazon Quantum Solutions Lab) y dos centros de investigaci¨®n para computaci¨®n y redes (AWS Center for Quantum Computing y AWS Center for Quantum Networking)

La Universidad de Harvard y Amazon Web Services mantienen desde el pasado septiembre una alianza estrat¨¦gica para la investigaci¨®n y la innovaci¨®n en redes con el objetivo de desarrollar m¨¦todos y tecnolog¨ªas fundamentales para una internet cu¨¢ntica. ¡°El trabajo conjunto de la academia y la industria puede acelerar el descubrimiento y el progreso tecnol¨®gico¡±, asegura el rector de Harvard, Alan M. Garber.

¡°Harvard tiene una serie de grupos de investigaci¨®n que se dedican a temas de informaci¨®n cu¨¢ntica y, espec¨ªficamente, en el ¨¢rea de redes cu¨¢nticas tiene tienen algunos de los grupos m¨¢s m¨¢s punteros de Estados Unidos. Es una forma de colaborar que nos parece muy productiva y en tres grandes aspectos: investigaci¨®n, porque todav¨ªa queda mucha por hacer, financiaci¨®n de equipos y desarrollo profesional, formando a estudiantes¡±, explica Ant¨ªa Lamas-Linares, responsable de redes cu¨¢nticas en AWS.

Con AWS trabaja el fabricante BMW para analizar los movimientos rob¨®ticos en la planta de producci¨®n o el grupo bancario de inversi¨®n Goldman Sachs. Tambi¨¦n se han utilizado sus servicios en investigaci¨®n farmac¨¦utica para optimizar ensayos cl¨ªnicos y reducir su coste.

Tambi¨¦n emplean sus servicios la compa?¨ªa francesa Pasqal, que ha desarrollado el programa QUBEC de simulaciones qu¨ªmicas, y el Instituto Nacional Italiano de F¨ªsica Nuclear (INFN), que busca aplicaciones en f¨ªsica de altas energ¨ªas y f¨ªsica fundamental. Desde este febrero, AWS cuenta con Lucy, la computadora cu¨¢ntica de ocho c¨²bits de Oxford Quantum Circuits, llamada as¨ª por la pionera alemana de la mec¨¢nica cu¨¢ntica Lucy Mensing.

Espa?a. Los primeros ordenadores cu¨¢nticos se instalar¨¢n en el Barcelona Supercomputing Center - Centro Nacional de Supercomputaci¨®n (BSC-CNS) como parte del consorcio de supercomputaci¨®n European High Performance Computing Joint Undertaking (EuroHPC JU). Adem¨¢s, el pasado a?o, 13 entidades espa?olas iniciaron el proyecto CUCO para investigar el uso de la computaci¨®n cu¨¢ntica y su aplicaci¨®n a cinco industrias estrat¨¦gicas: energ¨ªa, finanzas, espacio, defensa y log¨ªstica.

Para el pr¨®ximo a?o, IBM desplegar¨¢ su primer Quantum Computational Center en San Sebasti¨¢n, proporcionando servicios Qiskit Runtime a la regi¨®n desde un Quantum System One de 127 c¨²bits.

Entre las iniciativas privadas con m¨¢s a?os de uso figuran la del banco espa?ol BBVA, que ha analizado distintas tecnolog¨ªas cu¨¢nticas y tradicionales para mejorar el proceso de optimizaci¨®n de carteras de inversi¨®n con datos de mercado, seg¨²n refleja Quantum Physics. Desde 2018, la entidad financiera colabora en proyectos cu¨¢nticos con empresas y entidades como IBM, Fujitsu, Accenture, Zapata y el Centro Superior de Investigaciones cient¨ªficas (CSIC).

IESE Business School, la escuela de negocios de la Universidad de Navarra, tambi¨¦n utiliza la computaci¨®n cu¨¢ntica en sus aulas para ayudar a los estudiantes a resolver problemas comerciales reales.

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