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La mecánica cuántica al servicio de la computación



por Ariadne GALLARDO FIGUEROA

(Ariadne GALLARDO FIGUEROA es Comunicadora Social y Reportera de Radio especializada en entrevistas sobre Ciencia y Tecnología)

En esta ocasión tuve la oportunidad de platicar con Salvador Venegas Andraca, un mexicano quien nos habla de un tema que le apasiona y que sin duda a cada uno de ustedes interesará. Egresado en 1994 del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, campus Estado de México, donde estudió ingeniería en sistemas electrónicos. Además, estudió un año de la carrera en matemáticas puras en la Facultad de Ciencias de la UNAM (Universidad Nacional Autónoma de México). Más adelante trabajó diseñando software para la industria mexicana, como agente libre para diversas compañías, en ese momento reflexionó sobre la importancia de regresar a la academia y en 1997 se integró a la Universidad Anáhuac para dar clases en los departamentos de Ingeniería y Actuaría. Adicionalmente impartió cátedra en los departamentos de ciencias computacionales e ingeniería eléctrica del Tecnológico de Monterrey.

Dos años después, diseñó junto con el Dr. Luis Alberto Muñoz Ubando una escuela de verano en Robótica y Visión Computacional en la universidad de Oxford y en el laboratorio de robótica de París. La escuela de verano tuvo 43 asistentes, todos ellos alumnos del Tecnológico de Monterrey.

Posteriormente se abocó a la investigación científica, y para ello decidió viajar a la universidad de Oxford en donde hizo una maestría en visión computacional (2002), y ahora es candidato al doctorado en el departamento de física atómica de esta misma universidad, en la especialidad de computación cuántica.

En el verano de 2004 el maestro Venegas Andraca co-organizó con el Dr. Luis Alberto Muñoz Ubando (UADY) y el Dr. Romeo de Coss (Cinvestav-Mérida), otra escuela de verano, ahora en computación y comunicación cuánticas, en las instalaciones del Cinvestav unidad Mérida.

Él no ha perdido contacto con la gente de Yucatán, por lo cual visita de forma asidua a los catedráticos de la entidad, sobre todo a los profesores de la Facultad de Matemáticas de la Universidad Autónoma de Yucatán, en esta ocasión que me permitió entrevistarlo, fue invitado por medio del programa de mejora al profesorado PROMEP/SEP.

Adentrarnos en computación cuántica a manera de reflexión y divulgación científica es muy atrayente, sin embargo el término a los comunicadores sociales nos resulta complejo de comprender. Cuántico nos da idea de todo aquello infinitesimalmente pequeño y aplicarlo al cómputo se apetece apasionante pero ajeno a lo conocido, por ello lanzo mi primera pregunta:

¿Qué viene a ser la computación cuántica?

Es el resultado de la combinación de la física y las ciencias computacionales, por medio de las cuales se busca utilizar las propiedades de lo que es muy pequeño (cuántico) para la solución de problemas de computación.

La idea es muy simple: el componente primario de una computadora tradicional es el transistor. Las diferencias de energía que se encuentran en un transistor son unos y ceros lógicos. Toda la teoría de la computación se centra en saber cómo utilizar esos unos y ceros para resolver ciertos problemas. En el caso de la computación cuántica, lo que sucede es que se reduce la escala de los elementos primarios y al reducir dicho tamaño, los efectos que la propia mecánica cuántica predice se hacen cada vez más evidentes. El estudio de las consecuencias que dichos efectos tienen en la teoría de la computación es una parte integral de la computación cuántica.

El comprender cómo manipular dichos efectos llevó a los científicos a utilizarlos y sacarles provecho. Además, los físicos y computólogos teóricos se dieron a la tarea de crear diversas hipótesis en las que se argumenta que a través de las leyes de la mecánica cuántica se puede desarrollar infinidad de nuevos planteamientos en la teoría y procesamiento de información.

Por ejemplo, es sabido ya que el uso de los principios de la mecánica cuántica permite desarrollar algoritmos más eficientes que sus contrapartes clásicas (es decir, que los algoritmos desarrollados a la luz de la teoría de la computación clásica). Éste es el caso de los algoritmos de búsqueda en conjuntos desordenados.

Hábleme de alguna aplicación directa y práctica que ya se esté utilizando

Un caso comercial es el de la criptografía cuántica. Magic Q, una compañía estadunidense, puso recientemente a la venta un sistema de distribución de llaves que permite encriptar y decodificar mensajes (una llave es un código computacional). La distribución de esta llave hace uso de la teoría cuántica.

¿Hace cuánto que se conoce el principio cuántico aplicado a la computación?

Fue a finales de la década de los 60’s cuando Richard Feynman hace la propuesta de utilizar sistemas cuánticos para resolver problemas de dicha índole. Posteriormente, en 1985 el físico inglés David Deutsch propone en un artículo la estructura formal de una máquina de Turing basada en los pricipios de la mecánica cuántica.

Ahora, parte de la comunidad científica y tecnológica está usando este conocimiento para dar resultados prácticos con el fin de crear nuevos paradigmas y comprender problemas ya existentes. Por el otro, se encuentran nuevos caminos dentro de la investigación en computación cuántica, gracias a las aplicaciones que se crean.

Fue a principios de los años 80’s que se empezó a trabajar en estas innovaciones. Dada el corto periodo, el trabajo que hoy se hace en computación cuántica es a nivel de laboratorio y por lo tanto no es tiempo todavía de ver aplicaciones comerciales con la tecnología derivada de estos estudios. Sin embargo, existen prototipos que dan a pensar que este campo no explotado plantea soluciones muy interesantes para el futuro, sobre todo ante la creciente necesidad de mayor efectividad y acopio de información.

Una aplicación muy interesante de la computación cuántica, al menos para las comunidades de computólogos dedicados a la bioinformática y la inteligencia artificial, es utilizar las ideas y modelos matemáticos de la computación cuántica en sus respectivos campos de investigación. Un ejemplo puede ser el uso de estas ideas para minimizar el tiempo de rastreo de bases genéticas de plantas.

Coménteme más acerca de los investigadores que han fomentado el uso cuántico de la computación…

El algoritmo de Peter Shor es un ejemplo importante de mencionar. El algoritmo de Shor permite la factorización, en un tiempo razonable, de números muy grandes. En contraste, se cree que la factorización de números muy grandes en computadoras clásicas es un problema que no puede ser resuelto en tiempos razonables.

Otro ejemplo interesante es el de Lov K. Grover, quien desarrolló otro algoritmo el cual busca información en una base de datos que no tiene ningún orden. El algoritmo de Grover es capaz de encontrar el mismo objeto con la raíz cuadrada de la cantidad de tiempo que se requeriría con un algoritmo clásico. En otras palabras, el algoritmo de Grover es más rápido.

Otra de las aplicaciones prácticas da como resultado el trabajo en el que estoy trabajando con el Dr. Muñoz Ubando, para resolver problemas en el área de robótica e inteligencia artificial.

La gran mayoría de los científicos utilizan Linux para poder innovar y experimentar aplicaciones en las computadoras, sin embargo, hay quienes han penetrado el mercado de las patentes, al respecto ¿qué nos puede decir de las alternativas prácticas que se han logrado en la computación cuántica?

Tal vez para cualquier operador de Windows o Linux el hecho de imaginar a la mecánica cuántica como parte de los procesos para programar el hardware de una computadora, no sea del todo claro, sin embargo para quienes diseñan el alma de una computadora, es fácil reconocer a cada momento que se requiere de aparatos más pequeños con funciones más dinámicas y al mismo tiempo diversas. Le puedo dar el ejemplo del investigador Bernhard Ömer, de la universidad de Viena, quien diseñó una serie de librerías para simular sistemas cuánticos. Estas librerías pueden ser utiilizadas en cualquier programa escrito en C++ (C++ es un lenguaje computacional de uso común en la comunidad científica).

Por otra parte, hay grupos de investigación que han diseñado simuladores avanzados siempre pensando en reducir costos para interactuar entre ellos y, de esta forma lograr varios objetivos. Esto lo permite el software libre y es una alternativa para el desarrollo de la investigación científica.

¿Cuál vendría a ser el uso operativo y práctico de las computadoras cuánticas en un futuro?

Es una pregunta para la cual no tengo respuesta, podría incurrir en el error de limitar las aplicaciones que pueden surgir de esta nueva rama del conocimiento.

El reflexionar sobre mi trabajo en computación cuántica me lleva a recordar la forma en la que yo percibí, en mi niñez, el desarrollo del mercado de la computación. En ese entonces, muy pocos imaginaban que las computadoras tendrían usos tan intensivos y versátiles como los que tienen hoy.

Así las cosas, yo creo que las siguientes generaciones verán en el desarrollo de aplicaciones de la computación cuántica una historia similar a la que yo he visto a lo largo de mi vida con las computadoras clásicas. Mi opinión es que el cómputo cuántico será de uso común en unas cuantas décadas.

¿Podría decirme sí la NASA estará utilizando ya de la computación cuántica?

No lo sé a ciencia cierta. Sin embargo, me permito suponer que no. La razón es la siguiente: la tecnología necesaria para hacer computadoras cuánticas se encuentra todavía en periodo de experimentación. En consecuencia, creo que se requiere invertir más tiempo, esfuerzo y capital para que de esos experimentos puedan generarse productos tecnológicos tan estables (esto es, bien probados) que puedan ser utilizados en la investigación espacial.

Por supuesto, es muy probable que en el futuro, las agencias de investigación espaciales utilicen tecnología cuántica para procesos de computación y transmisión de información. Es sólo cuestión de tiempo.


- PAGINA WEB DE VENEGAS ANDRACA: http://nodens.physics.ox.ac.uk/~venegas-andraca/

- SOCIEDAD MEXICANA EN OXFORD: http://users.ox.ac.uk/~mexican/

- ENCUENTRO DE ESTUDIANTES MEXICANOS DE POSTGRADO EN EL REINO UNIDO:
http://users.ox.ac.uk/~mexican/encuentro/review.html

Ariadne GALLARDO FIGUEROA
agalfi@yahoo.com
29 enero 2005
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