Desde la construcción de arquitecturas híbridas hasta la resolución de cuestiones fundamentales complejas, el físico cuántico Mauro Paternostro describe el gran potencial que ofrece el panorama de la tecnología cuántica
Estamos en medio de un renacimiento cuántico, con investigadores del mundo académico y de la industria compitiendo por “ganar” la carrera de la computación cuántica. El mercado cuántico está en auge, con decenas de empresas, grandes y pequeñas, invirtiendo en esta tecnología, respaldadas por enormes fondos gubernamentales en todo el mundo.
Mauro Paternostro, físico cuántico de la Universidad de Palermo y la Queen's University de Belfast, es un experto en procesamiento de información cuántica y tecnología cuántica. Trabajando en los fundamentos del tema, su equipo está realizando investigaciones pioneras en optomecánica de cavidades, comunicación cuántica y más. También es editor en jefe de la revista IOP Publishing. Ciencia y Tecnología Cuántica.
En esta amplia entrevista, Paternostro habla con Tushna Commissariat sobre sus puntos de vista sobre el panorama cuántico: desde los “cuatro pilares” de la tecnología cuántica y las arquitecturas híbridas hasta la prometedora unión entre la tecnología cuántica y la inteligencia artificial (IA). Paternostro también subraya la necesidad de una financiación gubernamental continua para aprovechar el verdadero potencial de esta tecnología que cambia el mundo.
Hemos visto explotar la burbuja cuántica durante la última década, pero ¿cuáles son las ventajas y riesgos potenciales de la expansión exponencial de las empresas y la financiación de tecnología cuántica en todo el mundo?
En general, el panorama es muy positivo. El procesamiento de información cuántica necesitaba un impulso por parte de la industria, ya que las empresas pueden impulsar los desarrollos más pragmáticos que el campo necesita. La perspectiva que ofrece la industria está ayudando a dar forma a las tecnologías cuánticas de una manera más enfocada, cuando se trata de objetivos generales. El mercado en ciernes y en expansión (ya sea en la industria o en el mundo académico) es fantástico.
Pero, como usted señala, ha habido un rápido crecimiento. Y si bien esto es en gran medida algo bueno, también existe un poco de preocupación de que podamos estar creando una gran burbuja que explotará más temprano que tarde. Así que creo que es una cuestión de control: necesitamos moderarnos un poco y al mismo tiempo permitir que el área de investigación crezca orgánicamente.
Me preocupa un poco la cantidad de pequeñas empresas que parecen estar desarrollando su propio software cuántico. Sus productos tienen muy poco que ver con verdaderos algoritmos cuánticos y suelen ser soluciones de optimización clásicas, que tienen sus propios méritos. Pero no son necesariamente lo que yo llamaría un marco cuántico.
Por otro lado, algunas empresas spin-off están más orientadas a la implementación de plataformas de procesamiento cuántico, como los sensores cuánticos. Estos son realmente interesantes, ya que no solo está en juego la computación cuántica, sino también otras leyes físicas.
Hay cuatro pilares que sustentan los desarrollos de la tecnología cuántica: computación cuántica; simulación cuántica; comunicación cuántica; y detección cuántica y metrología. Y yo diría que los cuatro se están desarrollando de forma muy saludable.
La detección cuántica parece ser una de las más avanzadas, junto con la comunicación, gracias a la madurez de las tecnologías que pueden aprovechar. Si bien la participación de la industria es beneficiosa y prometedora, debemos tener cuidado con la especulación descabellada y la “inflación” que surge al intentar subirse a un autobús rápido, sin tener a mano el precio completo del viaje.
Y aunque a menudo soy escéptico con respecto a las empresas más pequeñas, a veces también recibo noticias preocupantes de los grandes. Por ejemplo, la empresa tecnológica china Alibaba tenía interés en desarrollar plataformas y soluciones de computación cuántica, hasta que de repente decidió cerrar su equipo cuántico interno a finales del año pasado, afirmando que preferiría centrarse en ser líder en investigación de IA.
¿Fue simplemente una decisión comercial o Alibaba está oliendo algo que nosotros aún no hemos olido? Supongo que tendremos que esperar y ver. En general, creo que el futuro es brillante y la participación de la industria es una muy buena noticia.
Hay varias tecnologías de computación cuántica diferentes que compiten por el primer puesto: desde iones atrapados y puntos cuánticos hasta qubits superconductores y fotónicos. ¿Cuál crees que tiene más probabilidades de tener éxito?
Soy una especie de agnóstico, en el sentido de que no creo que el primer dispositivo cuántico que construyamos sea completamente cuántico. Sé que para algunos esta es una opinión controvertida, pero es una opinión compartida por muchos otros en mi campo. Lo que creo que terminaremos con una arquitectura híbrida, donde lo mejor de informática de alto rendimiento (HPC) interactuará con arquitecturas de computación cuántica.
Tal vez estos cuanto ruidoso de escala intermedia (NISQ) A las arquitecturas se unirá una arquitectura HPC completa que aumentará su rendimiento, o viceversa. Los recursos cuánticos puestos sobre la mesa por este tipo de dispositivo híbrido mejorarán el rendimiento que la HPC clásica actual puede producir. Creo firmemente en la viabilidad de ese tipo de arquitectura híbrida: una solución totalmente cuántica todavía está muy lejos de donde nos encontramos ahora.
Además, no estoy del todo convencido de que tengamos la capacidad de gestionar los recursos masivos que se necesitarían para aprovechar al máximo la brecha en el poder computacional que ofrecería una computadora cuántica. Un objetivo a medio plazo que apunte a esta arquitectura cuántica HPC híbrida será una arquitectura mucho más realista (y potencialmente muy fructífera) de perseguir. Soy ligeramente optimista de que algo sucederá en mi vida.
Usted mencionó que ya se están desarrollando sensores cuánticos para una amplia variedad de aplicaciones, incluidas la atención médica, la construcción e incluso la medición de la gravedad. ¿Qué hay de nuevo y emocionante en esa área?
Los sensores cuánticos están desarrollando capacidades asombrosas para investigar mecanismos que hasta ahora han sido difíciles de alcanzar. Básicamente, estos sensores nos ayudan a detectar mejor los posibles efectos cuánticos de fuerzas como la gravedad, algo que muchos investigadores del Reino Unido tienen interés en seguir. Una fracción sustancial de la comunidad experimental está persiguiendo estos objetivos, con el centro cuántico de la Universidad de Birmingham a la cabeza en este frente.
No creo que nadie afirme que existe una plataforma experimental ganadora que seguir; tanto los átomos fríos como la optomecánica son algunas de las más prometedoras a ese respecto. Pero es muy interesante el avance teórico y experimental que ha logrado esta área.
Creo que un avance clave serán los sensores que puedan sondear la naturaleza fundamental de mecanismos físicos esquivos. Y luego están otros dispositivos de detección, como acelerómetros o generadores de imágenes, que ya están bastante bien establecidos. El Programa Nacional de Tecnologías Cuánticas del Reino Unido ya ha logrado avances significativos en ese sentido, y la tecnología está disponible y es lo suficientemente madura como para tener un impacto real.
Creo que las industrias deberían invertir mucho en esta área porque, junto con la comunicación, la detección está a la vanguardia de las implementaciones de tecnologías cuánticas en esta etapa.
Preparando el escenario para un mercado cuántico: dónde está el negocio cuántico y cómo podría desarrollarse
¿Y qué pasa con la comunicación cuántica?
La comunicación cuántica es probablemente el ejemplo más concreto de cómo se ha puesto en práctica el progreso académico en beneficio de objetivos liderados por la industria. Ha sido un ejemplo absolutamente magnífico de lo que podemos lograr cuando estos dos componentes trabajan juntos.
Si bien el progreso ha sido fantástico, también hay aspectos controvertidos, especialmente cuando consideramos las implicaciones geopolíticas más amplias de una red cuántica global. La cuestión de la seguridad de las comunicaciones y los datos adquirirá importancia, por lo que debemos considerar cuidadosamente las implicaciones más amplias de estos desarrollos tecnológicos. Las fronteras geopolíticas cambian continuamente y sus objetivos no siempre coinciden con los objetivos científicos.
¿Cuáles son algunas áreas clave donde se cruzan la IA y las tecnologías cuánticas? ¿Dónde se ayudan mejor unos a otros y cuáles son los problemas potenciales?
Esta es una pregunta muy importante. No hace falta decir que el santo grial en ambas áreas está muy cerca: tanto la IA como la computación cuántica se basan en el desarrollo de nuevos algoritmos. Se oye a la gente hablar sobre aprendizaje automático cuántico (ML) o IA cuántica, pero eso no es lo que realmente quieren decir. No se refieren a algoritmos cuánticos diseñados específicamente para problemas de IA o ML. Lo que quieren decir es la hibridación del aprendizaje automático clásico o la IA clásica con problemas cuánticos.
Estas soluciones dependerán del campo y del problema que intentemos abordar. Pero en general estamos analizando técnicas clásicas para procesar conjuntos de datos; problemas de optimización; resolver funciones de costos; y controlar, optimizar y manipular problemas cuánticos.
Es muy prometedor, ya que estás reuniendo lo mejor de los dos mundos. Desde un punto de vista teórico, el objetivo es abordar cuestiones a nivel general de la mecánica cuántica que deben abordarse, y quizás los problemas más grandes y complicados en términos de escala. Queremos construir herramientas a nivel algorítmico que le permitan afrontar la complejidad de esos problemas de forma certificable y consolidada.
Y lo interesante es que los experimentos han comenzado a ponerse al día con los desarrollos teóricos. Ya contamos con una serie de soluciones, enfoques y metodologías que se han desarrollado en este escenario híbrido donde se unen el ML y el procesamiento de información cuántica.
Espero que estos experimentos se investiguen a fondo en los próximos años y no queden atrapados si la IA y la burbuja cuántica estallan. Sin embargo, dudo que ese sea el caso, porque la IA llegó para quedarse, mientras que el aprendizaje automático es ahora una herramienta imprescindible utilizada por los analistas de datos de todo el mundo. Si tenemos alguna ambición de aumentar la complejidad de los problemas que podemos y debemos abordar, entonces debemos centrarnos en desarrollar estas herramientas.
¿Qué nuevas iniciativas están en marcha en este ámbito?
A principios de este año, Investigación e Innovación del Reino Unido (UKRI) anunció que está financiando nueve nuevos centros de investigación para "ofrecer tecnologías revolucionarias de IA" para abordar problemas complejos, desde la atención sanitaria hasta la energía, así como otros 10 estudios para definir la "IA responsable". Sé que varios de ellos tienen un componente cuántico, especialmente en la atención sanitaria, donde las soluciones basadas en IA son absolutamente fundamentales, pero también puede haber soluciones cuánticas.
Por eso soy muy optimista en lo que respecta a la fusión de la IA y la tecnología cuántica, siempre y cuando se regule el desarrollo de un marco de IA. Ahora mismo, el La Comisión Europea está formulando el marco legal para su Ley de IA, que abordará los riesgos que la IA podría plantear y el papel global que la UE espera desempeñar en la regulación de esta tecnología. Tanto el Reino Unido como Estados Unidos han estado trabajando en marcos similares desde hace algún tiempo, por lo que deberíamos formular alguna política y regulación global, más temprano que tarde.
Mientras este desarrollo siga una política regulada con un marco sólido, las interacciones de la IA con las tecnologías cuánticas deberían crear un útil mecanismo de retroalimentación bidireccional que ayudará a ambos campos a crecer significativamente.
En lo que respecta a la financiación de la tecnología cuántica por parte de los gobiernos de todo el mundo, ¿en qué áreas específicas le gustaría ver una mayor inversión?
¡Mis becas! Pero hablando más seriamente, la inversión a nivel gubernamental ha sido generalizada y sustancial en lo que esencialmente sigue siendo un campo científico emergente. En comparación con otras áreas que reciben financiación científica, como la investigación militar o médica, la cantidad de dinero que se ha puesto en juego es casi ridícula, pero, por supuesto, es algo muy bueno para nosotros. Un beneficio de este tipo de gasto gubernamental es que nos obliga a formar una comunidad y proponer objetivos compartidos.
Si nos referimos a los cuatro pilares antes mencionados, existe una conexión subyacente entre la física fundamental y los desarrollos teóricos. Diferentes países han elegido uno o más pilares en los que centrarse, dependiendo de su experiencia y recursos. Estados Unidos está muy centrado en la computación. La UE está más extendida y, por tanto, la situación es más compleja, pero hay una gran inversión en comunicaciones, así como un interés creciente en la simulación, mientras que varias estrategias nacionales de la UE también se centran en la detección.
El Reino Unido también está intentando cubrir todo el espectro, pero identificando algunos temas muy bien definidos, desde la imagen hasta la computación y desde la comunicación hasta la detección. Hay países como Finlandia que tienen un enfoque más experimental y se centran en arquitecturas superconductoras, pues ya cuentan con enormes instalaciones disponibles. Singapur, por otro lado, está desarrollando una línea de investigación muy sólida en comunicación cuántica basada en satélites. Para un país pequeño, tiene un enorme potencial, tanto en términos de talento como de recursos.
Así, diferentes países han desarrollado su propia área de especialización, de manera orgánica. Y al hacerlo, todos ganamos como comunidad: todos nos beneficiamos de todo el progreso que se ha logrado. Algunos pequeños pasos, algunos pasos más incrementales, algunos grandes saltos cuánticos.
Creo que será realmente importante que los gobiernos, nacionales y supranacionales, se den cuenta de que la inversión en tecnologías cuánticas debe mantenerse. Es un área que necesita apoyo continuo e ininterrumpido para alcanzar sus nobles objetivos. Y nosotros, como comunidad científica, debemos proyectar una imagen coherente con el mismo conjunto de objetivos, a pesar de las diferencias que tengamos. Sólo entonces estaremos en la mejor posición para traducir las tecnologías cuánticas en realidades que cambiarán vidas.
Como nuevo editor en jefe de Ciencia y Tecnología Cuántica (QST), ¿cuál es su visión para la revista?
Es un gran honor y me siento absolutamente halagado, pero también es un gran esfuerzo, dado el panorama cambiante de las revistas relacionadas con la cuántica. Lo que quiero para la revista es asegurarme de que QST siga siendo una de las vías preferidas para la presentación de contribuciones de primer nivel. Pero también quiero ayudar a dar forma al manifiesto de la revista y sus objetivos.
Por lo tanto, mi primera prioridad como editor en jefe ha sido crear un comité ejecutivo que, junto con el apoyo del consejo editorial, defina el alcance y la misión de la revista de manera clara. Y eso luego informará la forma en que se desarrollará la revista durante los próximos años, guiada por la comunidad de investigación cuántica. En términos de alcance, me gustaría ver más actualizaciones experimentales de alta calidad que amplíen los límites de la implementación de tecnologías cuánticas.
IOP Publishing tiene una acuerdo transformador (TA) con su institución, en términos de publicación en acceso abierto. ¿Puedes contarme sobre eso?
Creo que ha sido un acuerdo revolucionario en lo que respecta a la publicación de nuestra producción. Con los estrictos criterios que los consejos de investigación han aplicado a los resultados respaldados por subvenciones (del Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC), por ejemplo) y la necesidad de que sean totalmente accesibles y que los datos estén totalmente disponibles para la comunidad, tener una AT que garantice el acceso abierto es lo que necesitamos. Es fantástico tener la tranquilidad de que IOP Publishing es una vía viable para publicar mis resultados compatibles con EPSRC.
Además del cumplimiento de la financiación, el acuerdo IOPP elimina la carga administrativa de tener que gestionar las facturas por los cargos de publicación de artículos (APC), lo que supone un gran alivio para los científicos. He estado abogando por ampliar la iniciativa –mediante el establecimiento de acuerdos similares con otras editoriales– pero también por asegurarme de que no se trate de un experimento aislado que se desvanezca en el próximo año. Deberíamos hacerlo sistémico en la forma en que participan las instituciones no sólo en el Reino Unido sino, en lo que a mí respecta, en Europa. Debería resumirse desde el principio, en la forma en que funcionan las instituciones de educación superior y los institutos de investigación. Es fundamental garantizar que exista una sinergia entre las editoriales y las universidades o institutos de investigación.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape/
