Cómo funciona la RAM cuántica, la memoria que puede revolucionar la informática

En una reunión de 2012, el físico Seth Lloyd explicó a los fundadores de Google Sergey Brin y a Larry Page un uso cuántico de Internet. Lo llamaba Quoogle, y era un motor de búsqueda que usaba matemáticas basadas en las leyes físicas de las partículas subatómicas y arrojaba resultados sin conocer realmente la consulta. Tal avance requeriría un tipo de memoria completamente nuevo, llamado qRAM, o memoria cuántica de acceso aleatorio.

Aunque quedaron intrigados, Brin y Page rechazaron usar la idea, explica hoy Lloyd a Gizmodo. Según su versión de la historia, Brin y Page le recordaron que su modelo de negocio se basaba en saber todo sobre todos.

Pero la qRAM como idea no había muerto. Los ordenadores de hoy son bastante buenos a la hora de recordar información representada por miles de millones de bits (dígitos binarios que pueden ser iguales a cero o uno). La RAM, o memoria de acceso aleatorio, almacena los datos a corto plazo en chips de silicio, asignando a cada parte de los datos una dirección única a la que se puede acceder aleatoriamente –en cualquier orden– para poder consultar los datos más adelante. Eso hace que los procesos de computación sean mucho más rápidos, lo que a su vez permite que tu PC o tu teléfono accedan rápidamente a la memoria RAM para los datos que las aplicaciones utilizan másfrecuentemente en lugar de usar el almacenamiento, que es mucho más lento.

Algún día, los procesadores de nuestros dispositivos serán sustituidos por procesadores cuánticos, que serán perfectos para buscar entre grandes cantidades de datos, utilizar machine learning y para ciertas aplicaciones de inteligencia artificial. Los ordenadores cuánticos todavía son una tecnología incipiente, pero para ejecutar esos algoritmos tan ventajosos necesitarán acceder a la RAM de una forma completamente nueva. Ahí es donde aparece la qRAM.

“La qRAM tendría una utilidad asombrosa, y haría que los dispositivos cuánticos que hacen hoy Google e IBM fuesen mucho más útiles”, le dijo Lloyd a Gizmodo.

https://content.jwplatform.com/previews/h8g2ejb9?exp=1538422320&sig=f1a9728ae2679e94fd856007996ba79f

Qué es la computación cuántica explicado en dos minutos

Los ordenadores clásicos, ya sean un laptop, un smartphone o un supercomputador, realizan todas sus operaciones convirtiendo datos en una o varias combinaciones de bits (ceros y unos). Los bits interactúan, y el resultado final es otra combinación de unos y ceros. Las computadoras cuánticas también dan un resultado de unos y ceros. Pero mientras se realiza el cálculo, sus bits cuánticos, o qubits, se comunican entre sí de una forma diferente, a través de las mismas reglas de la física que rigen también sobre los electrones.

En lugar de representar un uno o un cero, un solo qubit puede ser un poco de ambos durante el cálculo, ya que se sigue una ecuación matemática especial que codifica la probabilidad de obtener un cero o un uno al medir realmente el valor del qubit. Varios qubits usan ecuaciones más complejas que tratan las combinaciones de los valores de los qubits como objetos matemáticos individuales. El resultado final es una o varias cadenas binarias posibles, y el valor final que se le da al usuario es determinado por las probabilidades cifradas en las ecuaciones.

Este extraño concepto matemático de que los qubits “son-ecuaciones-hasta -que-los-mides-y-entonces-vuelven-a-comportarse-como-bits-pero-sus-valores-podrían-tener-cierta-aleatoriedad” podría ser útil para solucionar problemas que normalmente son difíciles para los ordenadores. Uno de esos problemas tan difíciles es factorizar números grandes en números primos. La cara oscura es que también permitiría romper el algoritmo utilizado para almacenar gran parte de nuestros datos cifrados, algo muy preocupante para la ciberseguridad. Finalmente también podría ser una nueva forma de que los ordenadores manejen grandes conjuntos de datos, como los que existen en problemas de machine learning (por ejemplo, sistemas avanzados de reconocimiento facial).

Los ordenadores cuánticos no son mejores que los ordenadores comunes… aún. IBM ofrece a investigadores y empresas acceso a un procesador de 20 qubits, y Rigetti ofrece un procesador de 19 qubits. Los superordenadores clásicos pueden simular procesadores cuánticos de hasta 50 qubits. El físico John Preskill declaró recientemente que esta tecnología había entrado en una nueva era en la que los ordenadores cuánticos pronto tendrían usos más allá de algún interesante experimento de física. El gobierno de los Estados Unidos sí se toma en serio la tecnología cuántica debido a sus implicaciones de seguridad cibernética. Muchos físicos y programadores informáticos están buscando nuevas formas de aplicar la computación cuántica.

Pero muchos investigadores esperan encontrar maneras en que los ordenadores cuánticos puedan potenciar la inteligencia artificial y el machine learningutilizando algoritmos cuánticos. Esos algoritmos son complejos y requieren el acceso a grandes cantidades de datos, lo que significa que necesitarían el equivalente cuántico de la memoria RAM: la qRAM.

La RAM cuántica no consiste en miles de millones de bits almacenados de alguna manera en unos pocos qubits. Se trata de un método para que los ordenadores cuánticos apliquen sus operaciones cuánticas a las grandes listas de datos que podrías ver en los problemas de machine learning. En definitiva, la RAM normal consiste en datos almacenados para que un programa los use, y los programas acceden a esos datos almacenados especificando la dirección de los bits, como ocurre cuando se suman las celdas de una hoja de cálculo: escribiendo “sum (A2 + B2)” en lugar de escribir los números en las celdas todo el rato. Los algoritmos cuánticos necesitarían poder acceder de forma cuántica a la RAM. Al nivel más básico, podrían establecer una superposición que sea A2 y B2 al mismo tiempo, y luego devolver el valor en A2 o B2 cuando hayan completado el cálculo. No hay nada cuántico en la memoria en sí, sino en cómo se usa y se accede a ella.

Básicamente, si tuvieses muchos datos almacenados –como las bases de datos utilizadas para pintar estos cuadros– podría haber un algoritmo cuántico que consiga hacer un trabajo mejor que el de un ordenador normal a la hora de buscar entre esos datos y hacer algo relevante con ellos. Esto podría ser bastante lucrativo para industrias como la financiera o para empresas como Google.

Lloyd y su equipo escribieron un informe hace una década sobre la qRAM. En él propusieron un método para que los ordenadores cuánticos accedan solo a las direcciones de la memoria que necesitaban en superposición, utilizando lo que ellos denominan una brigada de grupo cuántico.

Básicamente, dado que cada dirección en la RAM es solo una serie de bits, puedes representarla como un árbol donde cada qubit es un comando que le dice al ordenador que se dirija hacia la izquierda o hacia la derecha. Esto funciona en los ordenadores clásicos, pero un ordenador cuántico con solo una opción a la izquierda o la derecha introduciría caminos adicionales a lo largo de cada ramificación, lo que en última instancia generaría un estado cuántico tan grande y frágil que podría fácilmente desintegrarse en un estado no cuántico. Lloyd y sus colaboradores imaginaron una estructura de árbol donde cada división en el árbol se mantenía automáticamente en un estado de “espera”, lo que permitía que la máquina solo descendiera por las ramas izquierda o derecha para acceder a la memoria que necesita, en lugar de enredar más las cosas. Es algo bastante técnico, pero está destinado a reducir enormemente la cantidad de energía requerida para solucionar problemas de machine learning.

Imagen: Pexels

“La mayoría de los algoritmos que la gente está investigando necesitan algún tipo de RAM cuántica”, dijo a Gizmodo Michele Mosca, científica de la Universidad de Waterloo en Canadá y que también ha investigado la RAM cuántica. “Cualquier cosa que podamos hacer para reducir su costo puede reducir enormemente el tiempo de procesado en los ordenadores cuánticos”.

Pero la computación cuántica está todavía en una edad muy temprana. Es casi ridículo imaginar hoy la forma en que los primeros ordenadores recordaban las cosas. La RAM estaba compuesta por bucles magnéticos conectados por cables, donde cada bucle representaba un solo bit y la orientación del campo magnético en la bobina representaba el valor del bit. La primera computadora estadounidense producida comercialmente, la UNIVAC-I, almacenaba los datos mediante la conversión de pulsos eléctricos en ondas de sonido a través de mercurio líquido. Además no era una memoria de acceso aleatorio; en lugar de poder recuperar los datos almacenados cuando lo deseaba, solo podía recuperar los datos en el orden en que fueron enviados. Pero en su día er considerado como un ordenador puntero.

“Fue vanguardista”, explicó a Gizmodo Chris García, conservador del Computer History Museum. “Estaban tratando de agarrarse a lo que fuese”. Todo esto acabó con la forma en que los ordenadores almacenan la memoria hoy en día.

¿Cómo será finalmente la RAM cuántica? Probablemente no como Lloyd y su equipo imaginaron. En una conferencia el año pasado, los físicos bromearon conmigo acerca de que la computación cuántica como campo podría estar desarrollando más ordenadores de mercurio líquido. Sin duda quedan muchos avances tecnológicos y matemáticos por descubrir que optimizarán estos ordenadores y la forma en que almacenan los datos.

Lloyd también lo creía. “Me encantaría que alguien diese una paliza a nuestra idea original”, dijo. “Si pudiéramos cargar información clásica en estados cuánticos, sería una mejora tremenda para los ordenadores cuánticos”. Después de todo, los ordenadores son algo más que su capacidad para ejecutar algoritmos sofisticados; son fascinantes por la forma en que esos algoritmos pueden abstraer datos y hacer algo útil con ellos. Quién sabe, quizás veamos un Google cuántico algún día.

Con información de Gizmodo

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