El PhD. Rafael Sotelo, director del área de Tecnologías de la Información (TIC) de la Facultad de Ingeniería de la UM (FIUM), desde hace algunos años visita regularmente la feria tecnológica CES (Consumer Electronics Show) en Las Vegas (Nevada, Estados Unidos). En 2019 se encontró con el Dr. Robert Loredo, embajador de los sistemas de computación cuántica de IBM y se puso al tanto de los avances que se estaban mostrando en la feria. Entusiasmado, en marzo de 2019 organizó un taller de computación cuántica en la FIUM, dictado por el propio Robert Loredo, y con la participación del Dr. Gerardo Beltrame, quien coordina el área de Física, y aportó los detalles básicos de física cuántica. En este taller participaron profesores, estudiantes y profesionales de diversas empresas y organismos gubernamentales. Luego de esta experiencia, surge un grupo de computación cuántica o Quantum Computing en la Facultad.

En la siguiente entrevista con Martín Machín, uno de los fundadores del grupo de Quantum Computing de la FIUM, empresario y profesor de la FIUM, cuenta en qué temáticas están trabajando, cuáles son los avances obtenidos, la participación en eventos internacionales y qué planes tienen a futuro con este equipo.

¿Cuándo se comienza a trabajar con este equipo de Quantum Computing en la FIUM?

A principios del año 2019 la compañía Airbus lanzó un desafío global para resolver varios problemas de la industria de la aviación mediante tecnologías de computación cuántica. Yo, que ya había participado en el taller, venía siguiendo con interés los desarrollos de la computación cuántica y estaba al tanto de este desafío, así que lo comenté con Rafael Sotelo y Robert Loredo. Observamos que a partir del taller realizado se generó una base interesante, y pensamos que tal vez sería una buena oportunidad para formar un equipo que pudiera involucrarse e intentar abordar los problemas que presentaba Airbus. Así fue que Rafael organizó una reunión con profesores y alumnos y se expusieron los cinco problemas del desafío de Airbus.

Fue así que surgió la iniciativa de comenzar a trabajar en la temática de la computación cuántica en la FIUM y formar un grupo de profesores, alumnos y profesionales de Quantum Computing. 

¿Cómo se conformó este equipo?

El grupo que convocó Rafael fue muy interesante, interdisciplinario y complementario… profesores de física, de matemáticas, cálculo numérico y estudiantes avanzados o recién egresados de diversas carreras con conocimientos frescos de matemáticas, algebra lineal y física. Los problemas captaron interés, los distribuimos en el equipo y nos volvimos a reunir para discutir qué nos parecía. “Estos son problemas para abordar en una tesis de grado” comentó un profesor de cálculo numérico, con un registro excelente en participaciones en olimpíadas de matemáticas. “La gente de Airbus realmente tiene claros estos problemas y no son nada sencillos”, argumentaba un ingeniero civil recién egresado.

El grupo comenzó con Joaquín Fernández-Ojeda, Diego Gibert, Juan-Diego Orihuela, Ignacio Méndez, José-Pedro Algorta, Maximiliano Stock, Gerardo Beltrame, Rafael Sotelo y yo, Martín Machín. Luego se integró Laura Gatti, quien tenía un posgrado en investigación y estaba preparando su tesis de doctorado en computación cuántica.

¿Cuál fue el primer proyecto que realizaron con el equipo de Quantum Computing?

Realmente los problemas presentados por Airbus no son cercanos a nuestra realidad. Difícilmente se nos ocurriría pensar en soluciones para esos problemas. El grupo llegó a la conclusión de que el problema más interesante para nosotros tenía que ver con la optimización de cargas en un avión, un problema del cual podíamos partir de algunas soluciones conocidas y podría extenderse a otros medios de transporte.

Comenzamos con reuniones semanales, donde inicialmente hablábamos de muchos temas de computación cuántica y revisábamos muchos papers mientras tomábamos la decisión de enfocar en un problema. Cuando lo tuvimos, uno de los jóvenes profesionales estudió las soluciones conocidas para el problema elegido y presentó todos los antecedentes en computación tradicional. Luego mostró lo que se conocía sobre aproximaciones a soluciones, aprovechando las ventajas de la computación cuántica, tomamos algunos papers de referencia y nos pusimos a trabajar.

En las reuniones fuimos mejorando las habilidades de programación en la plataforma Qiskit de IBM, entendiendo los operadores cuánticos, trabajando con las ecuaciones, buscando adaptar los modelos al problema, desarrollar el software y probarlo. Este camino fue una experiencia excelente, periódicamente nos reuníamos con Robert Loredo mediante videoconferencia, comenzamos a conectarnos con otras empresas del mundo que están trabajando en la materia, seguíamos revisando papers, participamos de los webinars de Airbus, nos introducíamos cada vez más en Qiskit, Quantum Assembler (QASM), Python, etc.

La experiencia del equipo interdisciplinario fue excelente, cada uno tuvo oportunidad de contribuir con piezas claves que permitieron abordar razonablemente el problema y finalmente proponer una solución el 31 de octubre de 2019.

¿Qué temas específicos dentro del área abordan?

Básicamente modelos físico-matemáticos, algoritmos cuánticos y desarrollo de software. Involucrarse en los problemas suponía cruzar una línea, donde quien parte de leer las noticias y novedades de computación cuántica, sobre los avances de las empresas, competencias, generalidades, entre otras cosas, ahora debe entender las bases de la física cuántica. Debe saber qué tipo de problemas permite abordar la computación cuántica (que no son abordables por la computación tradicional), pensar en resolución de problemas usando los principios cuánticos, trabajar con otros operadores básicos, con algoritmos específicos, y manejarse con ecuaciones físico matemáticas, matrices y álgebra lineal.

Una vez seleccionado el problema, una parte del equipo se concentró en encontrar un modelo de solución que se adapte a los distintos requerimientos planteados. Esto supuso analizar métodos tradicionales de resolución de problemas, que en general vemos en investigación operativa, observar las limitaciones con las computadoras tradicionales y las ventajas que pueden obtenerse utilizando técnicas de computación cuántica. Esto llevó buena parte del tiempo, definiendo ecuaciones que representaran el problema y nos permitieran encontrar un algoritmo de optimización que aproximara soluciones en espacios muy grandes.

Otra parte del equipo se concentró en dominar la plataforma Qiskit, cómo codificar un algoritmo, cómo integrarse con las bibliotecas, cómo utilizar los distintos niveles de abstracción de la plataforma, y así prepararse para implementar el modelo elegido. Por otro lado, estuvimos analizando distintos algoritmos de base conocidos en computación cuántica para ver cuáles podríamos utilizar, de qué manera, y cómo podríamos representar el problema y sus datos. A modo ilustrativo revisamos algoritmos que trabajaban con la transformada de Fourier, los algoritmos de Deutsch–Jozsa, Shor, algoritmos de búsqueda, Grover, algoritmos de simulación, optimización, vectores y valores propios con eingesolvers cuánticos variacionales.

El desafío también contemplaba presentar nuestra visión de cuál sería el momento en que las tecnologías para abordar estos problemas estarían disponibles, para lo cual analizamos nuestros algoritmos y las necesidades de hardware según distintas magnitudes del problema. Vimos qué se puede resolver con las computadoras actuales y consultamos con los principales proveedores globales sobre sus planes futuros y disponibilidad de nuevas capacidades en el tiempo.

¿Expusieron sobre esta temática en eventos internacionales?

Los avances que veníamos teniendo nos alentaron a exponer internacionalmente y así es que el Ing. Rafael Sotelo tomó el liderazgo y participó en un evento en Portugal y otro en Chile. En el mes de octubre de 2019, en Braga (Portugal) en el INL - International Iberian Nanotechnology Laboratory, nuestro equipo presentó el trabajo "Determination of the optimal distribution for loading cargo vehicles using the IBM Qiskit VQE algorithm" en la conferencia internacional Mission 10.000: Quantum Science and Technologies, bajo la iniciativa nanoGateway Project.

Luego, en el mes de noviembre, en el marco de Chilecon 2019, evento de la IEEE, Sotelo realizó la exposición “Quantum Computing: What, Why, Who”.

¿Qué planes a futuro tienen con este equipo que se ha formado? ¿Cómo seguirán trabajando desde la FIUM?

Recorrer el camino de presentarnos y participar en el desafío de Airbus generó una experiencia excelente y nos alienta a seguir trabajando. Hemos contactado a los principales proveedores de tecnologías cuánticas a nivel mundial, hemos profundizado nuestros conocimientos del estado del arte, y podemos seguir trabajando sobre la problemática abordada, profundizando en la plataforma y extendiéndola a otras.

En este sentido, para este año, tenemos planes de continuar en el desarrollo de productos basados en los modelos construidos, extenderlos a otras plataformas y explorar las técnicas de machine learning en computación cuántica.