Del bit al cúbit: el desafío de la educación en tiempos de la computación cuántica

Cuando alguien habla de computación cuántica o física cuántica la mayoría de los mortales creemos que estamos ante un indescifrable universo que se escapa a nuestro entendimiento. Una vez que logramos comprender ciertos procesos computacionales de captura, almacenamiento, ejecución y comunicación de información llegan los átomos y las partículas subatómicas para abrirnos un nuevo cosmos.

Si hacemos el ejercicio simple de preguntarle a la inteligencia artificial generativa ChatGPT sobre las tendencias en educación y tecnología se cuela el desafío de la computación cuántica pero ¿qué es lo que podemos esperar de este nuevo paradigma?

Entre las cualidades principales de la computación cuántica se destaca la posibilidad de procesar información a mayor velocidad, algo que podría ser clave en un futuro para dar un nuevo enfoque al aprendizaje y la toma de decisiones en el ámbito educativo. Por otro lado, la realidad aumentada y virtual -- hoy presentes en educación-- podrían dar un nuevo salto con el conocimiento cuántico para simular entornos de aprendizaje inmersivos.

Ticmas conversó con el Dr. en Ciencias Físicas y actual director del grupo de investigación argentino Quantum Logic + Probability Group, Federico Holik para buscar respuestas y abrir interrogantes.

“La computación cuántica se puede definir como el modelo de computación que surge a partir de que los componentes de las computadoras sean átomos u otros sistemas cuánticos”, detalla Federico Holik y marca la diferencia: “La información clásica se codifica en bits. Esto quiere decir que, por ejemplo, un texto dado, se va almacenar en la memoria de la computadora como una cadena de ceros y unos; eventualmente, una cadena muy larga. Desde un punto de vista físico, en una computadora clásica la información se representa por sistemas que pueden estar en alguno de dos estados posibles: cero (0) o uno (1). Cada uno de estos sistemas es capaz de representar un bit de información”.

“Los sistemas cuánticos no solo admiten como estados al cero y al uno, sino que también admiten superposiciones de estos. Uno puede armar un estado de forma tal que obtengas cero con 30% de probabilidad y uno 70%, otro estado que sea 50% cero y 50% uno, y así siguiendo, todas las combinaciones posibles. Estas combinaciones se llaman estados de superposición, y hay infinitas posibilidades”, desarrolla el físico cuántico.

Y agrega: “El qubit (o quantum bit) es la unidad mínima de almacenamiento de información en una computadora cuántica. Mientras que en la computadora clásica tenemos bits, los cuales se representan por componentes que tienen solo dos estados posibles cada uno, en la computadora cuántica la información se almacena en qubits que tienen una infinidad de estados posibles. La moraleja es que este cambio de representación hace que la computación cuántica sea un modelo de computación diferente al de la computación clásica”.

Así como se habla de la “tendencia” de agregarle neurociencias a todo, incluida la educación, ¿podemos empezar a pensar la cuántica en este último universo? Holik se apasiona sobre la curiosidad que genera y señala: “Nos hace preguntarnos qué es una computadora y qué es un algoritmo. Esto es clave para entender el mundo de hoy porque nos hace pensar en las leyes de la física cuántica: ¿en qué sentido son diferentes los átomos y partículas subatómicas de los objetos cotidianos que nos rodean? Esto es importante para entender la naturaleza, pero también, porque nos ofrece un ejemplo de cómo la ciencia básica y los problemas tecnológicos están íntimamente conectados”.

Y agrega: “A tal punto de que los países centrales invierten miles de millones de dólares en el desarrollo de tecnologías cuánticas. La tecnología que hay que usar para desarrollar computadoras cuánticas es fascinante. Esta mezcla de tecnología de punta con el uso de las propiedades maravillosas del mundo de los átomos, despierta una curiosidad muy grande en muchas personas. Y, por supuesto, para muchas grandes empresas y países centrales, es estratégico”. Incluso es de público conocimiento que empresas como IBM o Google colaboran con universidades para implementar y estudiar la computación cuántica.

“En principio, no se espera que uno tenga una computadora cuántica en el escritorio para ver Netflix mejor y más rápido, o jugar jueguitos”, destaca Holik y señala: “La computación cuántica está pensada como complemento de la computación de alta performance. Es decir, para trabajar en conjunto con supercomputadoras que se usan, por ejemplo, en problemas de optimización (de carteras en bancos, cadenas de suministro, etc), en el diseño de nuevos materiales para la industria, en el desarrollo de medicamentos en la industria farmacéutica, o en problemas de ciberseguridad. Naturalmente, también tiene aplicaciones en el área de defensa”.

“Es muy probable que la computación cuántica sirva para potenciar algoritmos de machine learning. Hay muchos esfuerzos en esa dirección en la actualidad, es una de las grandes apuestas. Podría ser que el uso de computadoras cuánticas sirva para mejorar, por ejemplo, modelos de lenguaje como el de ChatGPT. Pero eso no necesariamente cambiaría demasiado en el aula, salvo por el hecho de que los modelos basados en redes neuronales podrían llegar a ser mejores en calidad. Que eso se exprese en una mejora educativa, o no, depende de cómo se rediseñen los planes de estudio de forma tal de incorporar estas nuevas herramientas. Eso siempre es un desafío, incluso para tecnologías que ya están disponibles actualmente, como por ejemplo, la computación (clásica) de alta performance”.

Holik recalcula y plantea: “Las computadoras cuánticas de hoy son muy pequeñas, y aún no resuelven ningún problema que tenga utilidad práctica. Toda promesa de ventaja cuántica en problemas de utilidad práctica es a futuro; del orden de los diez o quince años, siendo optimistas. Con utilidad práctica me refiero a problemas en los que el público general como empresas o individuos ajenos a la comunidad científica/tecnológica pueda llegar a tener algún tipo de interés ahora. El uso de la computación cuántica hoy se restringe a la investigación científica básica y al desarrollo de tecnologías de punta. La palabra desarrollo es clave para entender el estado del arte y el mercado. Pero la apuesta de las grandes empresas y de muchos estados es muy fuerte en términos de recursos económicos, porque si se llegan a dar las condiciones adecuadas, puede dar lugar a un cambio tecnológico disruptivo. Los grandes jugadores no se pueden dar el lujo de quedarse afuera de un desarrollo tecnológico de estas características. La cantidad de recursos que se vuelcan en el área, hacen pensar que los desarrollos de los próximos años van a ser sorprendentes.”

“La pregunta que deberías hacerte es: ‘¿En qué podría traer beneficios para la comunidad educativa que las computadoras aceleren su capacidad de cómputo en ciertos problemas, tales como el de la factorización?’. Depende. Si vas a enseñar en las aulas problemas avanzados de matemática, o problemas de encriptación, de seguro que te va a reportar una ventaja. Pero es complejo incorporar esos temas avanzados en la escuela media hoy, dado que nos enfrentamos a desafíos más elementales, como el de que los alumnos desarrollen la capacidad de comprender textos, o de hacer razonamientos coherentes. Pero bueno, uno nunca sabe qué nos deparará el futuro. En principio, cuando se estudiaban redes neuronales en los 80, nadie pensaba en un niño usando ChatGPT en 2024″, indica el investigador del CONICET.

Y agrega: “Los beneficios para el aula que podría traer la computación cuántica van a depender de cómo se encaren las reformas en los planes de estudio. Obviamente, una cosa es la enseñanza primaria y secundaria, y otra la enseñanza universitaria y de postgrado. Para que te des una idea, nosotros ya damos cursos de computación cuántica en la Universidad Nacional de La Plata, y en el Instituto de Física de La Plata formamos recursos humanos en el uso de computación cuántica en la nube”.

Aunque sugiere: “Esto es distinto a decir: ‘Vamos a incorporar la enseñanza en programación cuántica en la escuela media’. Lo cual, a mi juicio, sería un logro cultural revolucionario. Pero, teniendo en cuenta la dirección en la que se mueve la educación hoy, es un desafío muy grande. En particular, ya es desafiante el enseñarle computación cuántica a la gente que viene del área de informática, que son de los principales interesados en el tema. Estamos trabajando mucho en desarrollar herramientas pedagógicas en ese sentido”.

“A mi siempre me dio mucha curiosidad entender cómo es el mundo. Podría haber sido filósofo”, se sincera Holik: “La física cuántica te permite hacer preguntas muy profundas acerca de cómo son las cosas. Y cuando se mezcla con problemas tecnológicos, se vuelve mucho más interesante, porque revela cosas acerca de la sociedad en la que vivimos hoy.”

Por último, Federico Holik celebra: “Además, la computación cuántica ofrece una muy buena oportunidad para hacer que la Argentina crezca como país participando del desarrollo de una tecnología de punta, sobre todo, en el área de software”. Queda pendiente ver en qué momento estos avances puedan ser vistos en las aulas.