O CiTIUS desenvolve protocolos e unha linguaxe nova de programación para facilitar o traballo conxunto de computadores cuánticos e clásicos
Mentres os computadores cuánticos sigan sendo pequenos, deben operar conxuntamente mediante sistemas distribuídos para ofrecer bos resultados. O que parece claro é que, traballando sós ou en grupo, convivirán a longo prazo cos computadores clásicos nunha especie de simbiose. Este modelo híbrido e distribuído necesita de ferramentas que permitan extraer todo o seu potencial de maneira eficiente e accesible para os programadores e programadoras. O CiTIUS está a contribuír a este reto mediante o desenvolvemento de protocolos de conexión entre dispositivos e dunha linguaxe intermedia de programación
Con tan só 24 anos, Ferdinand Porsche creou o que se considera o primeiro coche híbrido da historia, propulsado por un motor eléctrico octogonal. O Lhoner-Porsche Electromobile foi a sensación na Exposición Universal de París e, aínda que a súa produción comercial quedou aparcada durante preto dun século polo exceso de peso e a falta de autonomía, sentou as bases do que hoxe é a gran promesa da mobilidade limpa. En 1997, a industria da automoción xaponesa resucitaba a idea de Porsche lanzando ao mercado o Toyota Prius. A finais do século XX, a tecnoloxía avanzara o suficiente para ofrecer un modelo híbrido ao mercado de masas, aínda que non tanto como para desenvolver un vehículo totalmente eléctrico.
Francisco Javier
Cardama
A transición cara a unha mobilidade libre de combustibles fósiles é un exemplo de como en ocasións as tecnoloxías disruptivas necesitan integrarse inicialmente coas súas predecesoras ata que se desenvolven as condicións necesarias para substituílas.
Este modelo híbrido é o que está a permitir aproveitar xa algunhas vantaxes cuánticas no ámbito da computación, só que, segundo os expertos e expertas, non está previsto que a computación cuántica vaia substituír á clásica, polo menos nun futuro próximo. Existe consenso en que haberá unha convivencia a longo prazo e por iso é necesario desenvolver as mellores fórmulas posibles para sacar partido do binomio computación clásica-computación cuántica.
Sistemas híbridos e distribuídos
Mentres os computadores cuánticos sigan sendo pequenos e ruidosos –termo que fai referencia a que son propensos a cometer erros–, ademais de integralos en sistemas híbridos é necesario conectalos en rede –no que se denomina un sistema distribuído– para obter a capacidade de cómputo suficiente. Este é o campo de investigación ao que quere contribuír o proxecto no que traballa Javi Cardama no Centro Superior de Investigación en Tecnoloxías Intelixentes da Universidade de Santiago de Compostela (CiTIUS).
“Aínda que o termo cuántico soe atractivo, estes computadores non superan aos clásicos en todo. Con todo, hai tarefas específicas onde son máis eficientes e mesmo poden resolver problemas que os clásicos non poderían abordar”, explica Cardama. “O obxectivo é aproveitar as fortalezas de cada tipo de computación nas tarefas onde son máis eficientes”.
“Conectar dispositivos heteroxéneos de maneira eficiente non é algo sinxelo. É necesario desenvolver ferramentas que lle permitan ao programador executar tarefas en cada nodo de cómputo de forma sinxela, á vez que se explotan as características particulares de cada modelo de computación”, afirma Cardama.
O seu traballo busca ampliar as ferramentas que xa se desenvolveron para programar –como é o caso das tarxetas gráficas– co obxectivo de incluír ordenadores cuánticos no ecosistema de computación. “Isto permitirá que os desenvolvedores poidan interactuar con distintos tipos de hardware, incluídos os dispositivos cuánticos, dunha maneira unificada e eficiente”, destaca o investigador.
Para que computadores clásicos e cuánticos traballen xuntos é necesario que se comuniquen de forma eficiente. O enfoque que está a utilizar o proxecto do CiTIUS é usar a comunicación clásica unicamente para lanzar os programas cuánticos. “Isto significa que a computadora clásica inicia o proceso, pero, unha vez que o programa cuántico comeza a executarse, todo o procesamento cuántico lévase a cabo de maneira autónoma, sen interferencias clásicas ata que o resultado está listo”, expón Cardama para ilustrar que este tipo de abordaxe busca maximizar a eficiencia e minimizar as interrupcións.
Este traballo conxunto entre computadores clásicos e cuánticos implica que estes últimos sexan varios e estean conectados en rede. “Actualmente, non somos capaces de construír dispositivos cunha gran cantidade de cúbits. Por iso é crucial poder conectar varios computadores cuánticos para resolver problemas a gran escala”, aclara o investigador. É dicir, para que os computadores cuánticos acheguen o seu poder de aceleración aos clásicos polo momento deben facelo en grupo, á espera de que se desenvolva un computador cuántico o suficientemente potente para colaborar de forma autónoma con outro clásico.
Polo que se refire aos protocolos para este modelo distribuído, están a traballar na definición dunha linguaxe de programación intermedia para procesadores cuánticos distribuídos. “De maneira sinxela, o que buscamos con esta linguaxe é establecer un idioma común que permita que os distintos dispositivos cuánticos poidan entenderse entre si, sen importar as súas diferenzas de arquitectura”, explica Cardama.
Este idioma que están a desenvolver chámase NetQIR (Net Quantum Intermediate Representation) e esperan que facilite o desenvolvemento de novas ferramentas. Por agora contan cunha versión beta, co reto de lograr que sexa sinxelo de manexar e se poida traducir ás instrucións específicas que utilizan as computadoras cuánticas. “Os próximos pasos inclúen a integración desta linguaxe intermedia en ferramentas de programación heteroxénea que xa son amplamente utilizadas polos programadores clásicos. Este enfoque ten como obxectivo facilitar a transición á computación cuántica e facer que os desenvolvedores poidan incorporar esta tecnoloxía de maneira máis natural nas contornas coas que xa están familiarizados”, afirma o investigador do CiTIUS.
Visión a curto e longo prazo
Este proxecto, enmarcado no Plan Complementario de Comunicación Cuántica (PCCC), conta coa colaboración do Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA) para realizar unha contribución relevante ao avance da tecnoloxía. “Queremos estar preparados para cando a computación cuántica alcance un nivel de eficiencia adecuado”, asegura Cardama. “O obxectivo é que, cando isto ocorra, as nosas ferramentas e linguaxes estean o suficientemente desenvolvidas para facilitar unha transición fluída e permitir que os programadores poidan aproveitar o potencial da computación cuántica sen enfrontarse a grandes barreiras técnicas ou de aprendizaxe”, di, en referencia a que neste momento non existe o nivel de abstracción suficiente na linguaxe para programar sen ter un coñecemento profundo sobre o funcionamento físico dos procesadores cuánticos.
A curto prazo, o proxecto busca reducir a curva de aprendizaxe para o uso da computación cuántica, facendo que a tecnoloxía sexa máis accesible para programadores e programadoras sen coñecemento en profundidade sobre mecánica cuántica.
No longo prazo, o equipo do CiTIUS prevé que estas ferramentas faciliten a incorporación da computación cuántica en sectores onde poidan ofrecer vantaxes claras, como a optimización de procesos industriais ou a simulación de sistemas físicos complexos.
O futuro cuántico
Javi Cardama asegura que é complicado predicir o futuro nun ámbito no que aínda existen moitas limitacións que non poden resolverse cos materiais e tecnoloxías dispoñibles. “Aínda así, creo que nos próximos cinco anos poderemos contar cunha infraestrutura de software estándar para programar os ordenadores cuánticos actuais e estar preparados para os futuros. Esta estandarización reducirá a complexidade do desenvolvemento cuántico, permitindo que os investigadores se concentren en innovar e optimizar algoritmos, sen ter que preocuparse tanto polas particularidades técnicas do hardware subxacente”.
Este escenario de avance tecnolóxico debería, a criterio do investigador do CiTIUS, ser diferente ao da computación clásica, cuxo desenvolvemento estivo impulsado en gran medida por industrias privadas. “Creo que no caso da computación cuántica isto debería cambiar. O desenvolvemento dun computador cuántico o suficientemente potente expón un problema de seguridade, xa que podería vulnerar os sistemas criptográficos actuais, o que sería catastrófico se caese nas mans equivocadas. Por iso considero crucial que as institucións públicas tomen un papel activo e invistan nestas tecnoloxías. É unha oportunidade para que os gobernos garantan que os beneficios da computación cuántica se distribúen equitativamente e non queden concentrados en mans privadas con fins puramente comerciais”.
Na mesma liña, Cardama apunta a outro problema que debería abordarse nesta área de investigación: a dificultade para reter talento. “O perfil dunha persoa con coñecementos en computación cuántica require unha ampla formación en matemáticas, física e informática, o que fai que este tipo de investigador sexa moi escaso e, en moitas ocasións, acabe derivándose á industria privada, que ofrece mellores condicións que a contorna universitaria”, afirma, coa petición de que se resolva a precariedade da investigación no ecosistema público.
Contacto: javier.cardama@usc.es
Web: https://citius.gal/team/francisco-javier-cardama-santiago/
Publicacións:
Barral, D., Cardama, F.J., Díaz, G., Faílde, D., Llovo, I.F., Mussa Juane, M., Vázquez-Pérez, J., Villasuso, J., Piñeiro, C., Costas, N., Pichel, J. C., Pena, T. F., Gómez, A. (2024) Review of Distributed Quantum Computing. From single QPU to High Performance Quantum Computing. https://arxiv.org/pdf/2404.01265
Vázquez-Pérez, J., Cardama, F. J., Piñeiro, C., Pena, T. F., Pichel, J. C., Gómez, A. (2024) NetQIR: An Extension of QIR for Distributed Quantum Computing. https://arxiv.org/pdf/2408.03712
Vázquez-Pérez, J., Piñeiro, C., Pichel, J.C. et al. QPU integration in OpenCL for heterogeneous programming. J Supercomput 80, 11682–11703 (2024). https://link.springer.com/article/10.1007/s11227-023-05879-9
