Un plano para el software de los futuros computadores cuánticos

Los computadores cuánticos podrían resolver en el futuro problemas complejos en los que fallan los equipos actuales, por ejemplo en el desarrollo de nuevos materiales o en la planificación de cadenas de suministro. Hasta ahora, sin embargo, estos sistemas son propensos a fallas y se usan sobre todo en laboratorios de investigación. Además, faltan estándares para el desarrollo de software. En un proyecto conjunto liderado por el Instituto Fraunhofer de Economía del Trabajo y Organización (IAO), investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) y del FZI Centro de Investigación en Informática desarrollan ahora, por primera vez, una arquitectura de referencia integral para software cuántico. Porque incluso los computadores más potentes resultan inútiles si faltan los programas adecuados.

La arquitectura de referencia, surgida en el proyecto FullStaQD, debe servir como plano común para futuras aplicaciones sobre distintos tipos de hardware cuántico; es decir, situar desde el principio el desarrollo de software cuántico sobre una base unificada.

Software para computadores que aún no existen

El problema: faltan estándares comunes, no solo para el hardware, sino también para el software. «El panorama del software de computación cuántica está muy fragmentado. Por eso, muchas soluciones de software están estrechamente ligadas a un hardware específico», afirma el director del proyecto, Philipp Kunst, del Fraunhofer IAO. Cuando la tecnología avanza, con frecuencia también hay que adaptar los programas. Al mismo tiempo, surgen constantemente nuevos enfoques técnicos para construir computadores cuánticos. «Eso dificulta la colaboración y hace complicado seguir desarrollando el software a largo plazo».

«Queremos evitar que se repita la crisis del software de la década de 1960», dice la profesora Ina Schaefer, del Instituto de Seguridad de la Información y Fiabilidad (KASTEL) del KIT. En aquella época había computadores potentes, pero faltaba software maduro para aprovecharlos.

Un «enchufe» para la informática cuántica

Por eso, el equipo de Schaefer no desarrolla software para un computador cuántico determinado, sino un plano que describe cómo podrán trabajar juntos distintos computadores cuánticos y soluciones de software. Schaefer lo explica con un ejemplo cotidiano: «Hoy nadie sabe qué aparatos se conectarán a un enchufe dentro de 20 años. Aun así, existen estándares para enchufes y clavijas. No definen qué aparato se fabrica, sino solo cómo cooperan los aparatos y el suministro eléctrico».

La nueva arquitectura de referencia funciona con el mismo principio: «No definimos un hardware cuántico específico ni aplicaciones concretas. En cambio, describimos qué tareas asume cada nivel de un sistema de software cuántico y cómo se comunican entre sí», explica Schaefer. Así, la arquitectura queda abierta a futuras innovaciones tecnológicas. Al mismo tiempo, crea una base sobre la cual varios equipos pueden desarrollar conjuntamente sistemas de software de mayor envergadura.

Desarrollar aplicaciones y hardware de forma independiente

La arquitectura de referencia divide el software cuántico en tres niveles: aplicaciones, funciones del sistema y hardware. En el nivel de aplicaciones se crean programas para tareas concretas, por ejemplo en logística o investigación de materiales. El nivel de hardware comprende el computador cuántico. Entre ambos se sitúa el nivel de sistema, que conecta las dos áreas.

«De este modo, las aplicaciones y el hardware pueden evolucionar de manera independiente. Quien trabaja en nuevas aplicaciones no necesita conocer los detalles técnicos del hardware. A la inversa, los programas existentes pueden adaptarse con poco esfuerzo a las mejoras del hardware», señala Oliver Denninger, jefe del área de investigación de Ingeniería de Software del FZI. Además, pueden surgir nuevas tecnologías de hardware sin que haya que desarrollar de nuevo todo el software.

«Para que la computación cuántica pueda aprovecharse económicamente en el futuro, debemos desarrollar el software desde el principio en pie de igualdad con el hardware», afirma Kunst. Los investigadores quieren elaborar ahora, en la siguiente fase del proyecto, los componentes de software necesarios.

El proyecto FullStaQD: del concepto a la práctica

La primera versión presentada de la arquitectura de referencia es el primer hito del proyecto FullStaQD. En el siguiente paso, los socios desarrollarán una implementación de referencia de código abierto, que proporcionará componentes de libre acceso y se presentará el próximo año. La arquitectura de referencia está disponible en línea: https://fullstaqd.github.io/architecture/

El Ministerio Federal de Investigación, Tecnología y Espacio (BMFTR) financia el proyecto con alrededor de 15 millones de euros, de los cuales unos 700.000 euros corresponden al KIT.