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Un ordenador cuántico para abordar los problemas de la ciencia fundamental
Durante más de 50 años, la Ley de Moore ha reinado en forma suprema. La observación de que el número de transistores en un chip de ordenador se duplica aproximadamente cada dos años ha marcado el ritmo de nuestra revolución digital moderna: hacer posible teléfonos inteligentes, ordenadores personales y superordenadores actuales. Pero la Ley de Moore se está ralentizando. E incluso si no lo fuera, algunos de los grandes problemas que los científicos necesitan abordar podrían estar fuera del alcance de los ordenadores convencionales.
Durante los últimos años, los investigadores del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) han estado explorando un tipo drásticamente diferente de arquitectura computacional basada en la mecánica cuántica para resolver algunos de los problemas más difíciles de la ciencia. Con el patrocinio de Laboratory Directed Research and Development (LDRD), han desarrollado algoritmos de optimización y química cuántica, así como procesadores de prototipo superconductores cuánticos. Recientemente, demostraron la viabilidad de su trabajo utilizando estos algoritmos en un procesador cuántico que consta de dos bits cuánticos superconductores para resolver con éxito el problema químico de calcular el espectro energético completo de una molécula de hidrógeno.
Ahora, dos equipos de investigación dirigidos por el personal del Berkeley Lab recibirán fondos del Departamento de Energía (DOE) para aprovechar este impulso. Un equipo recibirá 1,5 millones de dólares en tres años para desarrollar algoritmos novedosos, técnicas de compilación y herramientas de programación que permitirán utilizar plataformas de computación cuántica a corto plazo para el descubrimiento científico en las ciencias químicas. El otro equipo trabajará en estrecha colaboración con estos investigadores para diseñar prototipos de procesadores de cuatro y ocho cubit para calcular estos nuevos algoritmos. Este proyecto tendrá una duración de cinco años y los investigadores recibirán 1,5 millones de dólares para su primer año de trabajo. Para el quinto año, el equipo de hardware espera demostrar un procesador de 64 cubit con control total.
«Algún día, los ordenadores cuánticos universales podrán resolver una amplia gama de problemas, desde el diseño molecular hasta el aprendizaje automático y la ciberseguridad, pero estamos muy lejos de eso. Por lo tanto, la pregunta que nos hacemos actualmente es si existen problemas específicos que podamos resolver con computadoras cuánticas más especializadas», dice Irfan Siddiqi, científico de laboratorio de Berkeley y director fundador del Center for Quantum Coherent Science de la UC Berkeley.
Según Siddiqi, las tecnologías de computación cuántica coherente de hoy en día cuentan con los tiempos de coherencia necesarios, las fidelidades lógicas de operación y las topologías de circuitos para realizar cálculos especializados para la investigación fundamental en áreas como la ciencia molecular y de materiales, la optimización numérica y la física de alta energía. A la luz de estos avances, señala que es el momento de que el DOE explore cómo estas tecnologías pueden integrarse en la comunidad de computación de alto rendimiento. En estos nuevos proyectos, los equipos del Berkeley Lab trabajarán con colaboradores de la industria y el mundo académico para aprovechar estos avances y abordar problemas científicos difíciles relacionados con las misiones del DOE, como el cálculo de la dinámica de los sistemas moleculares y el aprendizaje de máquinas cuánticas.
«Estamos en las primeras etapas de la computación cuántica, como en los años 40 con la computación convencional. Tenemos parte del hardware, ahora tenemos que desarrollar un conjunto robusto de software, algoritmos y herramientas para utilizarlo de manera óptima para resolver problemas científicos realmente difíciles», dice Bert de Jong, que dirige el Grupo de Química Computacional, Materiales y Clima del Laboratorio de Investigación Computacional (CRD) de Berkeley.
Dirigirá un equipo de Algoritmos Cuánticos del DOE formado por investigadores de Berkeley Lab, Harvard, Argonne National Lab y UC Berkeley, centrado en «Algoritmos Cuánticos, Matemáticas y Herramientas de Compilación para Ciencias Químicas».
«La tradición de Berkeley Lab en la ciencia en equipo, así como su proximidad a UC Berkeley y Silicon Valley, lo convierten en un lugar ideal para trabajar en computación cuántica de extremo a extremo», dice Jonathan Carter, Subdirector de Berkeley Lab Computing Sciences. «Tenemos físicos y químicos en el laboratorio que están estudiando la ciencia fundamental de la mecánica cuántica, ingenieros para diseñar y fabricar procesadores cuánticos, así como científicos informáticos y matemáticos para asegurar que el hardware sea capaz de calcular efectivamente la ciencia del DOE».
Carter, Siddiqi y Lawrence Livermore National Laboratory’s Jonathan DuBois liderarán el proyecto de Testbed Simulation (AQuES) Advanced Quantum-Enabled Simulation del DOE.
Desafío de la coherencia cuántica
La clave para construir ordenadores cuánticos que resuelvan problemas científicos fuera del alcance de los ordenadores convencionales es la «coherencia cuántica». Este fenómeno permite esencialmente que los sistemas cuánticos almacenen mucha más información por bit que en las computadoras tradicionales.
En una computadora convencional, los circuitos de un procesador incluyen miles de millones de transistores, pequeños interruptores que se activan mediante señales electrónicas. Los dígitos 1 y 0 se utilizan en binario para reflejar los estados de encendido y apagado de un transistor. Esencialmente, así es como se almacena y procesa la información. Cuando los programadores escriben código de ordenador, un traductor lo transforma en instrucciones binarias (1s y 0s) que un procesador puede ejecutar.
A diferencia de un bit tradicional, un bit cuántico (cubit) puede adquirir propiedades mecánicas cuánticas algo contrarias a la intuición como el entrelazamiento y la superposición. El entrelazamiento cuántico ocurre cuando los pares o grupos de partículas interactúan de tal manera que el estado de cada partícula no puede ser descrito individualmente, sino que el estado debe ser descrito para el sistema como un todo. En otras palabras, las partículas entrelazadas actúan como una unidad. La superposición ocurre cuando una partícula existe en una combinación de dos estados cuánticos simultáneamente.
Por lo tanto, mientras que un bit de ordenador convencional codifica la información como 0 o 1, un cubit puede ser 0,1 o una superposición de estados (tanto 0 como 1 al mismo tiempo). La capacidad de un cubit para existir en múltiples estados significa que, por ejemplo, puede permitir el cálculo de las propiedades químicas y de materiales significativamente más rápido que los ordenadores tradicionales. Y si estos cubits se pueden enlazar o enredar en un ordenador cuántico, los problemas que no se pueden resolver hoy en día con los ordenadores convencionales podrían ser abordados.
Pero sigue siendo un reto conseguir cubits en este estado de coherencia cuántica, donde se pueden aprovechar las propiedades de mecánica cuántica y luego sacar el máximo provecho de ellas cuando están en este estado.
«La computación cuántica es como jugar un juego de ajedrez donde las piezas y el tablero están hechos de hielo. A medida que los jugadores se mueven alrededor de las piezas, los componentes se están derritiendo y mientras más movimientos realices, más rápido se derretirá el juego», dice Carter. «Los cubits pierden coherencia en muy poco tiempo, así que depende de nosotros encontrar el juego de movimientos más útil que podamos hacer.»
Carter señala que el enfoque de Berkeley Lab de codiseñar los procesadores cuánticos en estrecha colaboración con los investigadores que desarrollan algoritmos cuánticos, recopilando técnicas y herramientas de programación será extremadamente útil para responder a esta pregunta.
«Los enfoques computacionales son comunes en la mayoría de los proyectos científicos del Berkeley Lab. A medida que la Ley de Moore se está ralentizando, las nuevas arquitecturas, sistemas y técnicas informáticas se han convertido en una iniciativa prioritaria en Berkeley Lab «, dice Horst Simon, Director Adjunto de Berkeley Lab. «Reconocemos desde el principio cómo la simulación cuántica podría proporcionar un enfoque eficaz a algunos de los problemas computacionales más desafiantes en la ciencia, y me complace ver el reconocimiento de nuestra iniciativa de LDRD a través de esta primera financiación directa. La ciencia de la información cuántica se convertirá en un elemento cada vez más importante de nuestra empresa de investigación en muchas disciplinas».
Debido a que este campo todavía se encuentra en sus primeros días, hay muchos enfoques para construir una computadora cuántica. Los equipos liderados por el Laboratorio de Berkeley estarán investigando ordenadores cuánticos superconductores.
Para diseñar y fabricar la próxima generación de procesadores cuánticos, el equipo de AQuES aprovechará la instalación de circuitos superconductores en el Laboratorio de Nanoelectrónica Cuántica y Nanoelectrónica de UC Berkeley, al tiempo que incorporará la experiencia de los investigadores en las divisiones de Tecnología de Aceleradores y Física Aplicada, Ciencia de Materiales e Ingeniería del Laboratorio de Berkeley. Los equipos de investigación también utilizarán las capacidades únicas de dos instalaciones del DOE: la Molecular Foundry y el National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), ambos ubicados en el Berkeley Lab.
Ampliar en: EurekAlert!
Los ordenadores cuánticos del futuro podrían ser radiactivos
Para que la revolución de los ordenadores cuánticos pase del sueño a la realidad, se deben cumplir dos condiciones esenciales: obtener un gran número de qubits, los bits cuánticos de información, y protegerlos eficazmente contra el fenómeno de la decoherencia. Si no se logra la primera, los ordenadores convencionales conservarán su supremacía. La segunda, por otra parte, permite ejecutar un algoritmo cuántico, como el de Shor, asegurando una superposición cuántica de estados suficientemente larga.
Esto significa que un chip cuántico debe estar suficientemente aislado del ruido generado por su entorno o que debe ser capaz de resistirlo (por ejemplo, con ordenadores topológicos). Una tercera forma es utilizar códigos de corrección para reducir los errores causados por este ruido. La solución final, si hay una solución, probablemente será una combinación de todas estas técnicas.
El premio Nobel David Wineland explica lo que una de las posibilidades exploradas para las computadoras cuánticas llamada trampas de iones.
Se exploran diferentes enfoques para resolver el problema de la decoherencia utilizando, por ejemplo, circuitos superconductores o qubits transportados por núcleos dentro de cristales de diamante. Cada uno tiene sus propias fortalezas y desventajas. Para manejar un gran número de qubits, también debe garantizarse que las técnicas de fabricación de componentes informáticos cuánticos que funcionan a pequeña escala puedan seguir aplicándose fácilmente a mayor escala.
Una de las vías más interesantes son las trampas de iones que transportan qubits. Utilizando pulsos láser, pueden ser manipulados para escribir y leer información y realizar operaciones computacionales. Un equipo de investigadores estadounidenses acaba de publicar un artículo en arXiv sobre un interesante sistema con iones de bario. Pueden ser enfriados fácilmente a bajas temperaturas con un láser óptico y los qubits transportadas por el espín de los núcleos son resistentes al ruido magnético. Estas dos ventajas hacen posible luchar eficazmente contra la decoherencia y construir chips cuánticos más fácilmente.
Sin embargo, el estudio se centra en el isótopo 133 del bario. Su núcleo es inestable y por lo tanto radioactivo. Además, su esperanza de vida es corta porque su período radioactivo (el tiempo que tarda el número de núcleos de una muestra en reducirse a la mitad por desintegración) es de 10,5 años. Por lo tanto, el Bario 133 no se produce naturalmente y debe fabricarse.
Esto se hizo y los investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles pudieron por primera vez enfriar y atrapar iones de bario 133 allanando el camino para las computadoras cuánticas usando este elemento. Quizás los ordenadores del futuro no sólo serán cuánticos, sino también radiactivos…
Ampliar en: FUTURA SCIENCES
Fujitsu desarrolla el primer dispositivo de traducción de voz portátil portátil del mundo
En los últimos años, con el aumento del número de visitantes a Japón, cada vez más pacientes no japoneses acuden a los hospitales, lo que genera problemas de comunicación en varios idiomas. En 2016, los Laboratorios Fujitsu desarrollaron la tecnología de manos libres que reconoce las voces de las personas y la ubicación de los hablantes, y que cambia automáticamente al lenguaje apropiado sin manipulación física del dispositivo. Ese mismo año, también colaboró con el Hospital de la Universidad de Tokio y el Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones (NICT) para llevar a cabo una prueba de campo de traducción multilingüe del habla en el ámbito médico utilizando tabletas estacionarias.
Basándose en los resultados, en Fujitsu Laboratories aprendieron que, como hay muchas situaciones en las que los proveedores de atención médica tienen las manos ocupadas, como cuando proporcionan atención en una sala de hospital, había una gran necesidad de un dispositivo de traducción de voz portátil que se pudiera utilizarse sin ser tocado físicamente.
Con el fin de ampliar la utilidad de la traducción multilingüe de voz, Fujitsu ha desarrollado el primer dispositivo de traducción de voz compacto, portátil y manos libres del mundo, desarrollando tecnología para diferenciar los altavoces que utilizan pequeños micrófonos omnidireccionales. Esto es posible gracias a una ingeniosa modificación de la forma del canal de sonido y a la mejora de la precisión de la tecnología de detección de voz, altamente resistente al ruido de fondo. Se espera que el uso de este dispositivo reduzca la carga sobre los proveedores de atención médica, cuyas manos a menudo se ven restringidas por otras tareas.
Fujitsu evaluará la eficacia de estos dispositivos de traducción recientemente desarrollados en situaciones sanitarias como parte de un ensayo clínico multilingüe de traducción del habla que se está llevando a cabo conjuntamente con Fujitsu Limited, el Hospital de la Universidad de Tokio y NICT, con los nuevos dispositivos desplegados en noviembre de 2017.
Tesla está trabajando en su propio chip de AI para autoconducción
AMD ayudaría a Tesla con el desarrollo del chip. Aparentemente, el fabricante de autos eléctricos ya ha recibido las primeras muestras del prototipo de su procesador para probar, según el informe. La construcción de un chip específico diseñado enteramente para la conducción autónoma ayudaría a Tesla de varias maneras, incluyendo un mayor control sobre un aspecto clave de su propia cadena de suministro, y el aumento de la eficiencia general del sistema y el rendimiento.
Tesla ha afirmado que sus vehículos de la generación actual tienen todo el hardware y la capacidad de computación a bordo para lograr la autoconducción completa con una actualización de software en el futuro. Pero la compañía también está siempre iterando en su hardware, evitando las actualizaciones tradicionales de los fabricantes tradicionales de automóviles.
El departamento de pilotaje automático de Tesla está a cargo de Jim Keller, que anteriormente había pasado gran parte de su carrera en AMD, y luego en Apple, donde ayudó a diseñar los procesadores internos A4 y A5 de Apple. El papel clave de Keller en la compañía probablemente habría influido en el fabricante de automóviles para que se propusiera adquirir su propio diseño de procesador y alinear más estrechamente sus componentes de software de autocontrol y computación de hardware.
Auriculares de traducción en tiempo real
La empresa TimeKettle ha diseñado un auricular que traduce del chino hablado al inglés y viceversa en tiempo casi real. Habiendo creado un prototipo funcional (no es vaporware) el fabricante se dirige ahora a Kickstarter para recaudar el dinero para su primera tirada del gadget.
El dispositivo, o más bien los dispositivos, son bastante infalibles: abres la caja, te pones un auricular en el oído y le das el otro a la persona con la que quieres hablar. Se sincronizan automáticamente con una aplicación para teléfonos inteligentes y, a continuación, detectan qué idioma habla cada persona y la traducen a medida que hablan.
En pruebas, funcionó bastante bien – hay un retraso notable, pero el equipo está en proceso de optimización. Pero eso es prácticamente imposible de evitar en el estado actual de la traducción automática. Y en realidad, el problema es que puedes simplemente poner el dispositivo en tu oído y luego hacer contacto visual con tu pareja y chatear más o menos de forma normal. Eso es preferible a que los dos miren el teléfono juntos.
En este momento, el sistema es compatible con el chino y el inglés, pero nuevos idiomas pueden ser añadidos a través de una aplicación complementaria.
Se peude ver un vídeo del funcionamiento.
Vídeo musical interpretado por robots
En la página web de Nigel Stanford hay algunos vídeos más sobre cómo hizo las pruebas y ajustes para que todo esto sonara bien: Automatica Robot Tests. Utiliza brazos robóticos industriales, de los de cientos de kilogramos de masa.
Un proyecto europeo aborda los retos de la informática a gran escala
Un proyecto paneuropeo ha comenzado este mes para reunir las tecnologías necesarias para la computación a gran escala, abordando el reto clave del uso de la energía.
El proyecto EuroEXA, de 20 millones de euros, ha comenzado este mes reuniendo tres proyectos a gran escala sobre aceleradores FPGA, interconexiones y tecnologías de chip 3D para alcanzar un rendimiento de 1018 operaciones, 10 veces superior al de los superordenadores más rápidos de la actualidad.
El factor limitante para la computación a gran escala es la eficiencia energética, dice el Dr. Dirk Koch de la Universidad de Manchester, que forma parte del proyecto Ecoscale. Señala al superordenador chino Sunway Taihulight como no muy lejos de la exascala, con 10000 núcleos que utilizan 28 MW de potencia para 125 petaflops de rendimiento. Si se considera la exascala, necesitamos 8 veces ese rendimiento, pero esto es más que todo el rendimiento de los 500 mejores superordenadores «, dijo. «Serían más de 85000 núcleos que necesitarían 224 MW de potencia. Son 40000 dólares por hora o 340 millones de dólares al año en EE. UU., y costaría más de 2000 millones de dólares «.
Así que la eficiencia energética es la clave última, y la integración es la clave para el rendimiento, cuanto más se puede hacer en un solo chip mejor «, dijo. Señala que el rendimiento de un FPGA es el doble del de una GPU en un problema específico para una décima parte de la potencia. «Es exactamente a donde queremos ir», dijo. «Eso usaría 40 MW a exascala. Esta es la belleza de los FPGA, que integran más funciones en un solo chip. La gestión de datos es clave. No se mueven los datos para computar, sino que se mueven la computación a los datos, lo que significa reconfigurar la FPGA donde están los datos «.
El mero uso de CPUS y GPU no hará el trabajo y tiene que hacerse con FPGA que necesitarán nuevos modelos de programación. En Manchester estamos trabajando en OpenCL como modelo de programación para módulos configurables que se pueden conectar a un sistema como acelerador HPC «.
Los otros dos proyectos se centran en la interconexión informática de alto rendimiento y el empaquetado de chips en 3D para lograr interconexiones locales más rápidas.
Ampliar en: eeNews
Ford desarrolla la comunicación entre el coche automático y los humanos
Junto con el Instituto Tecnológico de Transporte de Virginia, Ford Motor Company está probando un sistema que permite a los vehículos autónomos y a los conductores humanos comunicarse entre sí. Ford utiliza un coche que parece conducir de forma autónoma.
En el tráfico cotidiano, los usuarios de la vía pública se comunican intuitivamente a través de pequeños gestos: un guiño es a menudo suficiente para indicar que la otra persona puede pasar. Este elemento de comunicación falta en los automóviles autónomos. Ford está probando ahora cómo podría ser un «lenguaje de gestos» simple, entre los usuarios de vehículos robóticos y los humanos.
Cuando Daimler envió un Mercedes autónomo a través del tráfico en 2013, una debilidad fundamental de los chóferes electrónicos se hizo evidente: una pareja de ancianos esperaba en un paso de peatones. El Mercedes automático parado permitía al peatón cruzar. Sin embargo, los dos peatones hicieron un gesto para dejar claro que preferirían que el coche fuera el primero en pasar. La computadora a bordo del Mercedes no entendió la pista e insistió en no continuar hasta después de los peatones. La situación de bloqueo sólo podría resolverse tras la intervención del conductor de control humano.
Este problema sigue esperando una solución. Dondequiera que en el mundo los coches autónomos participan en el tráfico normal, estos malentendidos ocurren. Ahora Ford está trabajando con el Instituto Tecnológico de Transporte de Virginia Tech para establecer una interacción entre los humanos y los usuarios electrónicos de la carretera, proporcionando señales fáciles de entender. «Entender cómo los vehículos autopropulsados pueden operar en el mundo real es la base para el desarrollo de la futura realidad del tráfico», dice John Shutko, Especialista Técnico en Factores Humanos de Ford Motor Company. «Debemos encontrar soluciones al reto de garantizar que en algún momento ningún conductor humano esté al volante. Se trata de cómo sustituir los gestos humanos naturales para garantizar el funcionamiento seguro y eficiente de los vehículos autopropulsados en los espacios públicos».
Inicialmente, los investigadores consideraron la posibilidad de mostrar información textual grande sobre el vehículo, pero esto requeriría que todos los usuarios de la carretera entendieran el mismo idioma. El uso de símbolos fue rechazado porque los nuevos símbolos no son suficientemente reconocidos por los humanos. Al final, experimentaron con señales de luz. Las señales luminosas para el giro y la indicación de los frenos son ya de serie y generalmente aceptadas, por lo que una aplicación lumínica se considera el medio de comunicación más eficaz.
Por ejemplo, un vehículo autopropulsado puede indicar si funciona en modo de conducción autónomo, si desea arrancar o si quiere permanecer parado. Hacia este extremo, Ford colocó una barra de luz en el parabrisas de un vehículo de prueba. Además, se instalaron seis cámaras HD para detectar el comportamiento de otros usuarios de la carretera en una vista panorámica de 360 grados.
Para simular la conducción autónoma sin una persona al volante, los investigadores desarrollaron un traje de camuflaje que oculta a la persona en el asiento del conductor. El traje se parece al asiento de un conductor normal desde el exterior y crea la ilusión de un vehículo autónomo. Esto es esencial para la evaluación de los encuentros reales entre el transportista y otros usuarios de la carretera.
El equipo ha experimentado con tres escenarios de iluminación diferentes para probar los efectos de las siguientes señales del vehículo:
Modo de conducción autónomo: La barra de luces se ilumina constantemente en blanco para indicar que el vehículo se encuentra en modo de conducción autónomo:
Inicio: Luz blanca que parpadea rápidamente para mostrar la aceleración inminente desde un inicio en reposo.
Parada: Dos luces blancas que se mueven lateralmente indican que el vehículo está parando.
La simulación se llevó a cabo con el vehículo de prueba Ford Transit Connect en las carreteras públicas del norte del estado norteamericano de Virginia, donde hay una alta densidad de tráfico y relativamente muchos peatones. A lo largo de una distancia de unos 2500 kilómetros, los investigadores grabaron vídeos y protocolos de las reacciones a los encuentros con peatones, ciclistas y otros vehículos. Se realizaron experimentos en el tráfico urbano, incluso en intersecciones y aparcamientos. Los investigadores utilizarán los datos obtenidos para comprender cómo reaccionan los usuarios de la carretera a las señales de un vehículo autopropulsado.
El fabricante también está trabajando con varias organizaciones de normalización, incluyendo la Organización Internacional de Normalización y SAE, para promover la creación de un estándar industrial. Una interfaz de comunicación visual común que la mayoría de las personas puedan comprender universalmente sería importante para garantizar la integración segura de los vehículos autónomos en los sistemas de transporte existentes.
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