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Algoritmos cuánticos y el futuro de la informática posclásica

Algoritmos cuánticos y el futuro de la informática posclásica

Este es el artículo final de una serie de siete partes sobre algoritmos y computación, que explora cómo usamos números binarios simples para impulsar nuestro mundo. El primer artículo, Cómo funcionan los algoritmos en el mundo en el que vivimos, se puede encontrar aquí.

Como anciano millennial, cumplí la mayoría de edad como el invento humano más importante desde que la rueda comenzó a aparecer en nuestros buzones de correo a mediados de la década de 1990: CD de software que ofrecen pruebas gratuitas para servicios como America Online, Compuservey prodigio. Esos primeros pasos exploratorios en este espacio digital revolucionario llegaron cuando teníamos la edad suficiente para recordar claramente la vida antes de Internet, pero aún lo suficientemente jóvenes para adoptar la tecnología de una manera que nuestros padres no pudieron.

Con mucho gusto acumulamos facturas de tarjetas de crédito de miles de dólares en salas de chat, foros de mensajes, mensajería instantánea y otro contenido primordial de Internet; así es, niños, en ese entonces teníamos que pagar por Internet. por la hora--pero ese era el problema de mamá y papá, teníamos una transición completa que alteró la civilización en la que participar. El progreso de la transformación a escala global normalmente lleva tiempo, incluso generaciones, para lograrlo, pero lo logramos en menos de una década y pasamos otra década empujando los límites de lo que era posible con una computadora y una conexión a Internet y, desafortunadamente, comenzamos a llegar a esos límites bastante rápido.

El auge y la decadencia de la computadora clásica

Para todos los efectos, Internet es el tour de force de la informática clásica. Conectados en red miles de millones de computadoras de todas las formas y tamaños colaboran a través de algoritmos, señales de radio y cable de fibra óptica para producir una forma de vida que, hasta donde sabemos, es única en el universo. Aún más increíble es que la computación clásica logró esto en menos de dos generaciones de seres humanos, una tasa de progreso tecnológico sin precedentes históricos.

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por 40 años, La Ley de Moore impulsó el progreso humano sin precedentes de la era de la posguerra, pero un chip de computadora de silicio es un material físico, por lo que se rige por las leyes de la física, la química y la ingeniería. Después de miniturizar el transistor en un circuito integrado a una escala nanoscópica, los transistores simplemente no pueden seguir haciéndose más pequeños cada dos años. Con miles de millones de componentes electrónicos grabado en una oblea sólida y cuadrada de silicio no más de 2 pulgadas de ancho, podría contar el número de átomos que componen los transistores individuales.

Los problemas recientes de Intel con evidentes vulnerabilidades de seguridad en sus procesadores son el resultado directo de que los ingenieros tienen que intentar encontrar formas creativas de mejorar el rendimiento y la velocidad del procesador cuando ya no es posible mejorar físicamente el circuito integrado en sí. Como los transistores se han reducido a solo 7 nanómetros Durante mucho tiempo, los ingenieros nos han llevado al punto en el que los transistores utilizan la menor cantidad posible de átomos para construir un componente funcional. Cualquier menor, y la integridad estructural del transistor se rompería rápidamente y perdería su capacidad para contener y dirigir la corriente eléctrica que transmite la información que hace que las computadoras sean tan poderosas.

Las computadoras nunca han sido más rápidas o ágiles en lo que respecta a la conmutación y manipulación de la corriente eléctrica que impulsa sus operaciones, pero simplemente no se puede hacer que los electrones se muevan a una velocidad diferente a la determinada por el medio a través del cual viaja. . La única forma de "acelerar" el flujo de electrones es reducir la distancia que tiene que viajar entre las puertas lógicas para que las operaciones produzcan resultados unas billonésimas de segundo más rápido que antes, que es lo que hemos estado haciendo por 40 años.

Los procesadores de computadora modernos son innegablemente rápidos, pero desafortunadamente no son lo suficientemente rápidos. A pesar de su increíble poder, la computadora clásica ha sido derrotada efectivamente por las realidades matemáticas de problemas intratables pero de importancia crítica como la optimización y el plegamiento de proteínas. La naturaleza secuencial del funcionamiento de las computadoras clásicas significa que, por sí mismos, nunca podrán superar la tasa de crecimiento de una computadora. O (2norte) o ¡En!) problema.

Nadie quiere aceptar que el increíble viaje tecnológico que hemos disfrutado durante el último medio siglo está llegando a su fin, pero a menos que se encuentren algoritmos que puedan proporcionar un atajo en torno a esta tasa de crecimiento, tenemos que mirar más allá de la computadora clásica. si queremos mantener nuestro ritmo actual de progreso tecnológico.

La exageración en torno a la informática posclásica suena utópica, pero sorprendentemente justificada

La computación cuántica es un tema en el que mucha gente, incluido yo mismo, nos hemos equivocado en el pasado y hay quienes advierten contra poner demasiada fe en la capacidad de una computadora cuántica para liberarnos del callejón sin salida computacional en el que estamos atrapados.

La tecnología está en su infancia y hay varias razones para dudar de que alguna vez veremos el equivalente de computadora cuántica de la computadora doméstica Apple II. No son solo los qubits los que tienes que dominar; también tendría que descubrir un material capaz de superconductividad a temperatura ambiente, así como averiguar cómo mantener un entorno interno para los qubits que debe mantenerse lo más cerca posible del cero absoluto para que funcione.

Además, la gran mayoría del trabajo que necesita hacer una computadora no se realizará más rápido en una computadora cuántica que en una clásica. Las operaciones secuenciales no son el tipo de cosas para las que están diseñadas las computadoras cuánticas, por lo que, mucho después de que las computadoras cuánticas lleguen por completo, seguiremos usando computadoras clásicas en el futuro previsible, mientras que las computadoras cuánticas probablemente permanecerán en laboratorios corporativos y nacionales con servicios de procesamiento proporcionados a través de computación en la nube algoritmo por algoritmo.

A pesar de todo el trabajo necesario para crear y mantener qubits en superposición, las computadoras cuánticas realmente no hacen mucho de nada en este momento y probablemente seguirá siendo así por un tiempo al menos. Sería perdonado por pensar que las computadoras cuánticas son mucho sombrero y nada de ganado, pero eso también sería una caracterización errónea del estado de la tecnología y pasa por alto el significado de lo que Ya sabemos recién ahora viene sobre el horizonte.

Uno de los puntos fuertes de los sistemas matemáticos es su demostrabilidad con la lógica. Si podemos probar que algo es verdad lógicamente, esa verdad nunca cambiará. Este es el tipo de cosas que nos dan la confianza para construir cohetes y naves espaciales que se pueden pilotar con una precisión casi mil millones de millas de distancia, y es por eso que podemos decir que la computación cuántica no solo será transformadora, podemos decirle exactamente por qué.

En los 25 años transcurridos desde que Peter Shor publicó el primer algoritmo cuántico, que demostró que la factorización prima de números enteros se podía realizar en computadoras cuánticas en tiempo polinomial, los matemáticos e informáticos han desarrollado otros algoritmos cuánticos que abordan problemas que las computadoras clásicas luchaban por resolver. . De esas docenas de algoritmos cuánticos, muchos de ellos son órdenes de magnitud más rápidos que el algoritmo clásico más eficiente que conocemos y solo son posibles debido al entorno cuántico único en el que operan.

Algunos de los trabajos más importantes en el campo de la computación cuántica ha sido la creación de algoritmos que simulan diferentes sistemas cuánticos que aparecen en todo, desde la tecnología láser hasta la medicina. Estos algoritmos podrán superar por un amplio margen a simulaciones de computación clásicas similares. Actualmente, los algoritmos clásicos que realizan simulación molecular están limitados en los tipos de moléculas que pueden simular. Estos algoritmos generalmente están restringidos a moléculas con menos de 70 orbitales de espín, no más que eso, y la complejidad de la simulación crece tan rápidamente que se vuelve intratable.

Mientras tanto, un solo qubit puede representar uno de estos orbitales lo suficientemente eficiente como para que una computadora cuántica con solo 100 qubits, la computadora cuántica D-Wave 2X tenga 1152 qubits, aunque fue construida para ejecutar un algoritmo espacial, no como un propósito general. Computadora cuántica: permitiría simulaciones moleculares que las computadoras clásicas ni siquiera están cerca de ser capaces de simular y probablemente nunca lo harán. Estas simulaciones pueden revelar potencialmente todo tipo de compuestos previamente desconocidos que pueden proporcionar terapias novedosas para cualquier número de enfermedades.

Hay algoritmos cuánticos para todo, desde búsquedas en profundidad y caminatas cuánticas sobre un gráfico hasta resolver sistemas de ecuaciones lineales, ecuaciones diferenciales e incluso avanzar en ciertas clases de problemas de optimización, como la optimización adiabática. Sin embargo, lo que carecen de estos algoritmos es una computadora cuántica lo suficientemente potente con suficientes qubits para funcionar.

Sin embargo, ese no será el caso para siempre, y cuando llegue el momento de sacar estos algoritmos del estante y ponerlos en funcionamiento, algunos de los problemas más frustrantemente intratables, exponencial y factorialmente complejos en los negocios, la administración, la medicina, ingeniería, y más se resolverán en tiempo superpolinomial o más rápido. Estas ganancias son reales y están garantizadas por su lógica para funcionar; la única pregunta es cuánto tardarán en llegar estas computadoras.

Redefiniendo la computadora para la era posclásica

El problema al que se enfrentan las computadoras clásicas en el futuro es intrínseco a la naturaleza electrónica de las propias computadoras. Al evolucionar a partir de circuitos electrónicos simples, las computadoras utilizan una metodología computacional muy específica para resolver problemas y, por lo tanto, están bloqueadas permanentemente en el modelo secuencial de cálculo de números binarios que la electrónica ha estado utilizando durante más de un siglo. El lugar dominante de este modelo en nuestra tecnología no significa que sea la única forma de realizar cálculos.

La espintrónica, que utiliza el espín de los electrones y las propiedades magnéticas que produce este espín, es la más prometedora como mecanismo de almacenamiento debido a su impermeabilidad a las perturbaciones magnéticas externas, del tipo que puede borrar discos duros completos que dependen de la tecnología ferromagnética actual de almacenamiento de datos. .

Las cualidades magnéticas de los electrones también sugieren que se podría construir un transistor semiconductor espintrónico que podría hacer que la Ley de Moore volviera a la vida, al menos por un tiempo. Los átomos pueden ser pequeños, pero prácticamente todos son núcleos. Mientras tanto, los electrones que orbitan el núcleo son órdenes de magnitud más pequeños que un átomo en sí, por lo que debería ser posible empaquetar miles de veces más transistores espintrónicos en los chips de silicio actuales, dando a las computadoras clásicas la oportunidad de eludir toda la ley de la física y problema de química.

Alejándonos de nuestra obsesión por los chips de silicio, existe otra área importante de investigación computacional que tiene un potencial increíble. La computación del ADN puede parecer confusa y posiblemente un poco extraña a primera vista, pero si lo piensas, es un candidato obvio para la investigación y el desarrollo de la computación posclásica.

Desde que las primeras hebras de ADN codificaron las instrucciones para la creación y operación de organismos unicelulares, se ha convertido en un poderoso mecanismo para la transmisión y almacenamiento de datos, pero los investigadores ahora están profundizando en los componentes individuales del ADN mismo. , y es potencial como un mecanismo computacional por derecho propio.

La investigación ha demostrado [PDF] que los cuatro aminoácidos distintos (A, T, C y G) que sirven como bloques de construcción del ADN pueden reutilizarse para actuar como bits codificables. Cuando se mezclan, estos aminoácidos se autoensamblan de forma natural en cadenas de ADN y no en cualquier ADN, sino en todas las diferentes permutaciones de ADN posibles con los materiales disponibles.

Esta es una innovación potencialmente revolucionaria, ya que realizar operaciones en una superposición de qubits no es lo mismo que una verdadera computación paralela. Las computadoras cuánticas solo le darán una salida única, ya sea un valor o un estado cuántico resultante, por lo que su utilidad para resolver problemas con complejidad de tiempo exponencial o factorial dependerá completamente del algoritmo utilizado.

Sin embargo, la computación del ADN aprovecha la capacidad de estos aminoácidos para construirse y ensamblarse en largas cadenas de ADN. Mezcle estos aminoácidos y, naturalmente, se convertirán en más largos y complejos. permutaciones del set de aminoácidos. Si has estado siguiendo la serie, esas palabras deberían haberte llamado la atención. La permutación es un proceso con complejidad de tiempo factorial, y es el desafío fundamental que hay que superar si queremos resolver un problema NP-completo. Las permutaciones se tratan mejoramiento, y es probable que incluso una computadora cuántica encuentre mejoramiento más allá de su poder para resolver.

Eso es lo que hace que la computación del ADN sea un nuevo desarrollo tan emocionante. Si codificamos el nombre de una ciudad en el problema del viajante como una combinación de aminoácidos y arrojamos todos estos aminoácidos en un vaso de precipitados, una vez que comiencen a autoensamblarse en hebras de ADN, la solución correcta al problema del viajante será crecer orgánicamente a partir de este proceso.

En menos de un minuto, la solución al problema del viajante estará sentada en ese vaso de precipitados en forma de hebra de ADN, y el desafío será encontrar una manera de filtrar las respuestas incorrectas hasta que podamos aislar esta solución óptima. Filtrar la innumerable cantidad de hebras incorrectas de ADN para encontrar la óptima no es una tarea fácil, sin lugar a dudas, pero también es no un problema de permutando cada posible hebra de ADN. Como vimos en el algoritmo de Shor, a veces la clave para encontrar la solución a un problema insoluble es convertirlo en un problema equivalente que sea más fácil de resolver.

Si bien esto sigue siendo una cosa computacionalmente difícil de hacer, es mucho más simple que las permutaciones de fuerza bruta y validarlas para encontrar la mejor ruta a seguir por nuestro vendedor. La investigación en curso sobre la computación de ADN revelará con el tiempo su verdadera eficacia, pero las cadenas de ADN autoensambladas ofrecen la promesa de una verdadera computación paralela, algo que ni siquiera la computación cuántica puede afirmar.

Nos acercamos rápidamente a un horizonte de eventos tecnológicos

Es muy posible que antes de que veamos algo de esto, la humanidad termine bombardeándose a sí misma hacia una nueva era oscura de la que se necesitan miles de años para recuperarse.

Es importante recordar que, si bien el progreso no está garantizado, el cambio siempre lo está y el tipo de retirada tecnológica y científica que representaría esta nueva era oscura es la única comparación que puedo hacer que capte la escala del cambio que puede surgir de la transición a la era posclásica.

La humanidad se está acercando genuinamente nada menos que a un horizonte de eventos tecnológicos. Hay algo en el otro lado de la división clásica-posclásica, es probable que sea mucho más masivo de lo que parece desde aquí, y cualquier predicción sobre lo que encontraremos una vez que la atravesamos es tan buena como la de cualquier otra persona. .

Si bien puede ser divertido especular sobre avances específicos, lo que en última instancia importará mucho más que cualquier avance serán las sinergias producidas por estos diferentes avances trabajando juntos. Se sabe que las sinergias son mayores que la suma de sus partes, pero ¿qué significa eso cuando sus partes son blockchain, redes 5G, computadoras cuánticas e inteligencia artificial avanzada?

Sea lo que sea que termine siendo, redefinirá la computación tal como la conocemos y las implicaciones de los nuevos sistemas que crearemos al integrar estos diversos modelos serán tan inmensas que lo único que sé con certeza es que nuestro paso a la post- El mundo clásico está garantizado para ser un viaje de ida.


Ver el vídeo: Supremacía cuántica: Qué es? Qué importancia tiene? Se ha logrado?, Eduardo Sáenz de Cabezón (Enero 2022).