La intel·ligència artificial (IA) i la computació quàntica són dues de les tecnologies més revolucionàries i prometedores del segle XXI. Totes dues tenen el potencial de transformar diversos camps de la ciència, la indústria, l’economia i la societat, en oferir noves maneres de resoldre problemes complexos, processar grans quantitats de dades i crear sistemes intel·ligents.
Però, què passaria si combinéssim les dues tecnologies creant una IA quàntica? Quins avantatges podria aportar? Estem a prop d’aconseguir-la o és una mera especulació? Quins desafiaments i riscos implica? Aquestes són algunes de les preguntes que intentarem respondre amb aquest article, explorant l’estat de l’art i les perspectives de futur, fent esment també a la possibilitat de que les teories en que es basa la física quàntica puguin ser errònies.
Passat quàntic
La idea de fer servir la física quàntica per a la computació no és nova. Ja el 1985, el físic David Deutsch va proposar el concepte de màquina de Turing quàntica, un model teòric de computació que utilitza qubits en lloc de bits, i que pot fer operacions que són impossibles o ineficients per a una màquina de Turing clàssica. El 1994, el matemàtic Peter Shor va demostrar que una màquina de Turing quàntica podia factoritzar nombres enters grans en temps polinomial, fet que suposaria una amenaça per a la criptografia actual.
Tot i això, el desenvolupament experimental de la computació quàntica ha estat lent i difícil a causa dels reptes tècnics i físics que implica manipular i controlar els qubits, o bits quàntics, que són molt sensibles al soroll i la decoherència. Fins ara, només s’han construït ordinadors quàntics amb unes quantes desenes de qubits, que són insuficients per fer tasques pràctiques d’interès.
D’altra banda, la IA ha experimentat un gran avenç en les darreres dècades gràcies a l’augment de la potència de còmput, la disponibilitat de grans conjunts de dades i el desenvolupament de noves tècniques d’aprenentatge profund. La IA ha aconseguit resultats impressionants en camps com ara el reconeixement d’imatges, el processament del llenguatge natural, la robòtica i, recentment, la generació d’imatges, textos o música (IA generativa). La IA, però, es basa en models matemàtics i estadístics que podrien no ser adequats per capturar la complexitat i la incertesa del món físic. I aquí és on entraria la IA quàntica.
La IA d’Schrödinger
La IA quàntica (quantum artificial intelligence o QAI, en anglès) és un camp interdisciplinari que s’enfoca en construir algorismes i sistemes d’IA que aprofitin els avantatges de la computació quàntica, és a dir, la capacitat de manipular i processar informació quàntica, que s’emmagatzema i transmet en unitats discretes anomenades qubits. Els qubits tenen la propietat de poder estar en una superposició de dos estats, 0 i 1, alhora, cosa que els permet representar més informació que els bits clàssics, que només poden estar en un dels dos estats. A més, els qubits poden estar entrellaçats, cosa que significa que els seus estats estan correlacionats, i que en mesurar-ne un s’afecta l’altre, fins i tot si estan separats per grans distàncies.
Hyper Cycle per tecnologies emergents (Gartner)
La computació quàntica ofereix, en teoria, avantatges sobre la computació clàssica en algunes tasques computacionals, com la cerca, l’optimització, la simulació o l’aprenentatge automàtic. Aquestes tasques són rellevants per a la IA, ja que impliquen trobar solucions a problemes complexos, modelar sistemes físics o biològics, o extreure’n patrons o coneixement de grans conjunts de dades. Alguns dels algorismes quàntics més coneguts són l’algorisme de Grover, que permet cercar un element en una llista no ordenada amb una complexitat quadràtica menor que la clàssica, o l’algorisme de Shor esmentat anteriorment, que permet factoritzar nombres enters grans amb una complexitat menor que la clàssica.
No obstant això, la computació quàntica també presenta importants desafiaments i limitacions, tant teòriques com pràctiques, que en dificulten l’aplicació i el desenvolupament. Alguns d’aquests reptes són:
- La coherència quàntica: fa referència a la capacitat de mantenir la superposició i l’entrellaçament dels qubits sense que es perdin per l’efecte de les pertorbacions externes o el soroll. La coherència quàntica és essencial per al funcionament dels algorismes quàntics, però és molt fràgil i difícil de preservar. Per això, es requereixen tècniques de refrigeració, aïllament i correcció d’errors per evitar la decoherència dels qubits.
- L’escalabilitat quàntica: es refereix a la capacitat d’augmentar el nombre de qubits i les operacions que s’hi poden fer sense que es degradi la qualitat o la fiabilitat de la computació. L’escalabilitat quàntica és necessària per resoldre problemes de grans dimensions o complexitat, però és molt costosa i exigent. Per això, calen avenços tecnològics, arquitectònics i de disseny per aconseguir la integració i el control dels qubits.
- La programació quàntica: es refereix a la capacitat de dissenyar i codificar algorismes i programes que s’executin en un ordinador quàntic, aprofitant-ne les característiques i els recursos. La programació quàntica és fonamental per crear aplicacions i serveis d’IA quàntica, però és molt diferent i més difícil que la programació clàssica. Per això, calen llenguatges, eines i plataformes que facilitin el desenvolupament i la depuració de programari quàntic.
- La interoperabilitat quàntica: fa referència a la capacitat de comunicar i transferir informació entre sistemes quàntics i clàssics, o entre diferents sistemes quàntics. La interoperabilitat quàntica és clau per a la integració i la compatibilitat de la computació quàntica amb l’existent i per a l’aprofitament dels avantatges de totes dues. Per això, calen protocols, estàndards i xarxes que permetin l’intercanvi i la conversió de dades quàntiques i clàssiques.
Addicionalment, la incertesa al voltant de les teories quàntiques planteja una pregunta controvertida: aquestes teories podrien ser errònies? Tot i haver demostrat ser extraordinàriament precises en innombrables experiments, la física quàntica encara presenta paradoxes i preguntes sense resposta, com la dualitat ona-partícula i la paradoxa EPR.
Per tant, la possibilitat d’estar davant d’una teoria errònia o incompleta no s’ha de descartar del tot. La història de la ciència ens ha ensenyat que les nostres teories evolucionen a mida que avancem en la comprensió de fenòmens complexos. L’exploració de noves teories que vagin més enllà de les actuals podria revelar aspectes desconeguts de la realitat quàntica.
Si les interpretacions que es fan dels experiments i la teoria en que es basen no són correctes, podria resultar que la construcció d’un ordinador quàntic d’utilitat real fos una tasca físicament impossible.
Salt quàntic
La IA quàntica és un camp emergent i dinàmic, que es troba en una fase incipient i exploratòria però que té, en teoria, un gran potencial i una gran projecció. S’espera que en els propers anys es produeixin avenços significatius i disruptius a la IA i la computació quàntica, que permetin superar alguns dels desafiaments i limitacions actuals, i que obrin noves possibilitats i escenaris.
Algunes de les tendències i expectatives de futur de la IA quàntica són:
- Aconseguir la supremacia quàntica, és a dir, la demostració de que un ordinador quàntic pot resoldre un problema que cap ordinador clàssic pot resoldre en un temps raonable. Aquesta fita, que ja ha estat reclamada per algunes empreses com Google o IBM, però que encara no ha estat verificada de forma independent i consensuada, suposaria un canvi de paradigma a la computació i la IA, i obriria la porta a noves aplicacions i serveis d’IA quàntica.
- El desenvolupament de la IA híbrida, és a dir, la integració i la combinació de la IA clàssica i la IA quàntica, per aprofitar les fortaleses i compensar les debilitats de totes dues. Aquesta aproximació, que ja s’està implementant en algunes plataformes i projectes, com ara Qiskit, TensorFlow Quantum o Amazon Braket, permetria resoldre problemes més complexos i variats, i oferir solucions més robustes i versàtils d’IA quàntica.
- L’expansió de la xarxa quàntica, és a dir, la connexió i la comunicació dels ordinadors i dispositius quàntics, a través de canals i infraestructures quàntiques, com els fotons, els satèl·lits o les fibres òptiques. Aquesta xarxa, que ja s’està construint i provant en alguns països com la Xina, els Estats Units o la Unió Europea, permetria distribuir i compartir la informació i els recursos quàntics, i crear serveis i aplicacions d’IA quàntica a escala global.
Per aprofitar les oportunitats i mitigar els riscos de la IA quàntica, cal una acció conjunta i coordinada dels actors de la quàdruple hèlix: acadèmia, administració, societat i empresa. Algunes recomanacions serien:
- Fomentar la investigació i el desenvolupament de la IA i la computació quàntica. Destinar més recursos, infraestructures i talent humà a la generació i la transferència de coneixement, i a la creació i difusió d’aplicacions i serveis d’IA quàntica.
- Establir normes i regulacions de la IA i la computació quàntica, definint i aplicant criteris i principis ètics, legals i socials, que garanteixin el respecte i la protecció dels drets humans, la seguretat nacional i l’interès públic.
- Promocionar l’educació i la comunicació de la IA i la computació quàntica. Facilitar l’accés i la comprensió de la informació, el coneixement i les habilitats relacionades amb la IA quàntica, fomentant el diàleg i la participació de la societat en el debat i la presa de decisions sobre la IA quàntica.
Pacte quàntic
Espanya és un dels països que aposta per la IA i la computació quàntica, tant des de l’àmbit públic com privat. Entre les iniciatives i projectes que s’estan duent a terme, destaca el projecte Quantum Spain, impulsat per l’anterior Ministerio de Asuntos Económicos y Transformación Digital a través de la Secretaría de Estado de Digitalización e Inteligencia Artificial (SEDIA) i coordinat pel BSC. Està finançat amb fons Next Generation del Pla de Recuperació per a Europa de la Comissió Europea, i s’emmarca al programa Espanya Digital 2026 i l’Estratègia Nacional d’Intel·ligència Artificial (ENIA).
La Unió Temporal d’Empreses (UTE) formada per Qilimanjaro Quantum Tech i GMV va completar el 2023 el primer lliurament per a la instal·lació del primer computador quàntic a Espanya, com a part de Quantum Spain
Aquest ordinador quàntic estarà basat en tecnologia europea i s’instal·larà al BSC, integrat amb el nou supercomputador MareNostrum 5.
QM Quantum Computer (Business Wire)
La integració permetrà augmentar notablement l’impacte de la recerca i la innovació en permetre solucions que complementin les capacitats dels supercomputadors actuals. La nova infraestructura estarà a disposició de la comunitat investigadora, empreses i organismes públics, enfortint així el desenvolupament tecnològic i industrial a Espanya i la creació d’ocupació d’alta qualificació. L’ordinador quàntic del BSC suposarà una oportunitat per a Espanya en general, i per a Catalunya en particular, de posicionar-se com a referent i líder en el camp de la IA i la computació quàntica, i de contribuir a l’avenç científic, tecnològic, i al desenvolupament econòmic i social.
Addicionalment, el Govern d’Espanya, en el marc de la presidència de torn del Consell de la UE, va presentar el Quantum Pact, pacte que promou la col·laboració entre els diferents països de la Unió per al desenvolupament i desplegament de tecnologies quàntiques.
Transcendència quàntica
La IA quàntica és un camp en ple desenvolupament i expansió, que fusiona dues de les tecnologies més capdavanteres i potencialment disruptives de la nostra època. La IA quàntica pot aportar solucions noves i eficaces a problemes que actualment són difícils o impossibles de resoldre amb la IA clàssica, obrint noves oportunitats i aplicacions en diversos àmbits de la ciència, la indústria i la societat.
Tot i això, la IA quàntica també comporta reptes i riscos, tant tècnics com ètics i socials, que han de ser mitigats i regulats. A més, la IA quàntica es basa en les teories de la mecànica quàntica, que podrien ser errònies o incompletes, i que, per tant, estan subjectes a revisions i possibles modificacions en el futur.
Cal, per tant, continuar investigant i experimentant amb la IA quàntica, sense deixar de banda la formació, divulgació i captació de talent. Amb el temps, la IA quàntica podrà ser una eina poderosa i beneficiosa per a la humanitat, però també podria esdevenir un malbaratament de recursos o una amenaça.
Referències
- https://www.forbes.com/sites/jonathanreichental/2023/11/20/quantum-artificial-intelligence-is-closer-than-you-think/
- https://www.frontiersin.org/research-topics/52928/quantum-artificial-intelligence
- https://quantumai.google
- https://research.ibm.com/topics/quantum-machine-learning
- https://www.bsc.es/news/bsc-news/bsc-selected-host-one-the-first-european-quantum-computers
- https://www.meetiqm.com/resources/press-releases/iqm-qpus-for-spanish-quantum-computer/
- https://digital-strategy.ec.europa.eu/en/library/european-declaration-quantum-technologies
- https://quantumspain-project.es/qilimanjaro-quantum-tech-y-gmv-superan-la-primera-fase-del-proyecto-quantum-spain-para-construir-el-primer-computador-cuantico-espanol/
