Retos a los
que se enfrenta la Ingeniería del Software Cuántico
Challenges in Quantum
Software Engineering
Desafios enfrentados pela
engenharia quântica de software
Agustina Arismendi[1], Sebastián Pombo Mott[2]
Recibido: 15/07/2023 Aceptado:
20/10/2023
Resumen. - Este análisis examina el campo de la computación cuántica y el desarrollo de software cuántico basado en una selección de artículos relevantes. La investigación revela que la computación cuántica ha pasado de ser un concepto teórico a una realidad práctica, con computadoras cuánticas ahora accesibles para todos a través de servicios en la nube o simulaciones. Los artículos discuten diversos aspectos relacionados con la computación cuántica, incluyendo tecnologías, metodologías y orientación práctica para desarrolladores que se aventuran en proyectos de software cuántico. Una tendencia emergente identificada es la necesidad de la ingeniería de software cuántico, ya que el campo carece de modelos, estándares y métodos establecidos para la creación y migración de sistemas. Una comparación y síntesis de los artículos resalta los avances y desafíos en el campo, así como las lagunas y áreas para futuras investigaciones. En general, este análisis destaca la importancia creciente de la computación cuántica y proporciona una visión crítica sobre su desarrollo y potencial impacto en la industria y la sociedad.
Palabras clave: Computación cuántica; Desarrollo de software cuántico; Tecnologías cuánticas; Ingeniería de software cuántico; Impacto de la computación cuántica.
Summary. - This analysis examines the field of quantum computing and the
development of quantum software based on a selection of relevant articles. The
research reveals that quantum computing has evolved from a theoretical concept
to a practical reality, with quantum computers now accessible to everyone
through cloud services or simulations. The articles discuss various aspects
related to quantum computing, including technologies, methodologies, and
practical guidance for developers venturing into quantum software projects. An
emerging trend identified is the need for quantum software engineering, as the
field lacks established models, standards, and methods for system creation and
migration. A comparison and synthesis of the articles highlight the
advancements and challenges in the field, as well as gaps and areas for future
research. Overall, this analysis emphasizes the growing importance of quantum
computing and provides critical insights into its development and potential
impact on industry and society.
Keywords: Quantum computing; Quantum software development; Quantum technologies;
Quantum software engineering; Impact of quantum computing
Resumo. -
Esta análise examina o campo da computação quântica e do desenvolvimento de
software quântico com base em uma seleção de artigos relevantes. A investigação
revela que a computação quântica passou de um conceito teórico para uma
realidade prática, com computadores quânticos agora acessíveis a todos através
de serviços em nuvem ou simulações. Os artigos discutem diversos aspectos
relacionados à computação quântica, incluindo tecnologias, metodologias e
orientações práticas para desenvolvedores que se aventuram em projetos de
software quântico. Uma tendência emergente identificada é a necessidade de
engenharia de software quântico, uma vez que o campo carece de modelos, padrões
e métodos estabelecidos para construir e migrar sistemas. Uma comparação e
síntese dos artigos destaca avanços e desafios na área, bem como lacunas e
áreas para pesquisas futuras. No geral, esta análise destaca a crescente
importância da computação quântica e fornece uma visão crítica sobre o seu
desenvolvimento e o potencial impacto na indústria e na sociedade.
Palavras-chave: Computação
quântica; Desenvolvimento de software quântico; Tecnologias quânticas;
Engenharia de software quântico; Impacto da computação quântica..
1. Introducción. – La ingeniería de software cuántico es un campo
emergente que busca aprovechar los principios y propiedades de la computación
cuántica para el desarrollo de software avanzado. A medida que la tecnología
cuántica avanza, se presenta la oportunidad de diseñar y construir sistemas y
aplicaciones que aprovechen al máximo el potencial de la computación cuántica.
1.1. Contextualización
del problema. - A pesar de los avances en la computación cuántica, la
ingeniería de software cuántico aún se encuentra en sus etapas iniciales de
desarrollo. Existen varios desafíos técnicos y teóricos que deben abordarse
para facilitar la adopción generalizada de la computación cuántica en el
desarrollo de software. La falta de herramientas, lenguajes de programación
adecuados y técnicas de desarrollo específicas para la programación cuántica
limita el progreso en este campo.
1.2. Relevancia y justificación
del estudio. - La
investigación en ingeniería de software cuántico es de gran importancia debido
al potencial disruptivo de la computación cuántica. La capacidad de resolver
problemas complejos de manera más eficiente y realizar cálculos a una escala
mucho mayor ofrece oportunidades significativas en diversas áreas, como la
optimización, la criptografía y la simulación de sistemas cuánticos. Sin
embargo, para aprovechar plenamente estos beneficios, es crucial abordar los
desafíos en la ingeniería de software cuántico y desarrollar las herramientas y
técnicas adecuadas. Este análisis busca contribuir a la comprensión de la
ingeniería de software cuántico y exponer algunos de los desafíos que enfrenta.
Al identificar los desafíos y proponer soluciones, se pretende fomentar el
desarrollo de una disciplina sólida y práctica para el desarrollo de software
cuántico. La investigación en esta área puede abrir nuevas oportunidades para
el avance tecnológico y el descubrimiento científico.
2. Protocolo. –
2.1. Estrategia de búsqueda. – La estrategia de búsqueda se diseñó para
recuperar información relevante en las fuentes de IEEE Xplore y ResearchGate.
Esta estrategia garantiza la recuperación de información precisa y actualizada
relacionada con la ingeniería de software cuántico y la computación cuántica,
tanto de fuentes de renombre como de investigadores de relevancia en el campo.
A continuación, se detallan los lugares y las cadenas de búsqueda utilizadas:
●
IEEE
Xplore:
○
Lugar: Se
realizó una búsqueda en la base de datos de IEEE Xplore, una fuente de alta
reputación en el ámbito de la informática y la ingeniería.
○
Cadena de
Búsqueda: La cadena de búsqueda utilizada fue "quantum software
engineering & quantum computing", lo que garantizó la obtención de
resultados específicos relacionados con la ingeniería de software cuántico y la
computación cuántica.
●
ResearchGate (Computer Science and Engineering
Publications):
○
Lugar: Se
accedió a la sección de publicaciones relacionadas con Ciencias de la
Computación e Ingeniería en ResearchGate, una plataforma que aglutina
investigaciones académicas de diversas disciplinas.
○
Cadena de
Búsqueda: Se utilizó una búsqueda adicional en la sección de Computer Science
and Engineering Publications de ResearchGate para ampliar la gama de recursos
disponibles.
●
Artículo "The Talavera Manifesto for Quantum
Software Engineering and Programming":
○
Lugar: Se
incluyó un enlace directo a un artículo específico titulado "The Talavera
Manifesto for Quantum Software Engineering and Programming," escrito por
Ricardo Perez Castillo, para obtener información relevante directamente de la fuente.
○
Link:https://www.researchgate.net/topic/Computer-Science-and-Engineering/publications
2.2. Procedimiento de selección.
– Para la selección de
artículos relacionados con "Quantum Software Engineering & Quantum
Computing," se llevaron a cabo búsquedas en dos fuentes principales: IEEE
Xplore y ResearchGate. En IEEE Xplore, se obtuvieron 46 resultados en total de
revistas y publicaciones de 2021. Dos de los artículos seleccionados son los
siguientes:
- Toward a Quantum Software Engineering
●
Editorial: IEEE
●
Fecha de publicación: 20
de agosto de 2021
●
Citaciones en artículos
de IEEE: 8
●
Citaciones en otros
editores: 18
- Quantum Computing
●
Editorial: IEEE
●
Fecha de publicación: 28
de enero de 2021
●
Citaciones en artículos
de IEEE: 3
●
Citaciones en otros
editores: 7
Además, se realizaron
búsquedas en ResearchGate para encontrar información adicional relevante sobre
el tema:
●
Lugar: https://www.researchgate.net/
●
March
2020
2.3. Evaluación de calidad. – La calidad de los artículos seleccionados se
evaluó teniendo en cuenta el número de citas en otros artículos. Dos de los
artículos obtuvieron un alto nivel de citaciones, con 57 y 62 citaciones en
otros trabajos académicos. Estas cifras indican la relevancia y el impacto de
los artículos en la comunidad académica y respaldan su inclusión en este
estudio.
La selección de los artículos mencionados se justifica de la siguiente
manera:
Relevancia y actualidad: Los artículos seleccionados, "Toward a
Quantum Software Engineering" y "Quantum Computing," son
particularmente relevantes debido a su enfoque en la ingeniería de software
cuántico y la computación cuántica. Estos temas son de gran importancia en el
campo de la informática actual y representan áreas de investigación en
constante evolución.
Fuente confiable: Los artículos provienen de una fuente confiable,
IEEE, que es ampliamente reconocida en el ámbito académico y científico. La
alta calidad y rigurosidad de las publicaciones en IEEE garantizan que los
artículos seleccionados hayan sido sometidos a una revisión por pares y cumplan
con los estándares académicos.
Citas en otros artículos: Ambos artículos han recibido un significativo
número de citas en otros trabajos académicos. El hecho de que estos artículos
sean citados por otros investigadores demuestra su influencia y relevancia en
la comunidad científica. Las 8 citaciones en artículos de IEEE y 18 citaciones
en otros editores para "Toward a Quantum Software Engineering," así
como las 3 citaciones en artículos de IEEE y 7 citaciones en otros editores
para "Quantum Computing," respaldan su importancia en el campo.
Actualidad temporal: Los artículos fueron publicados en 2021, lo que
los sitúa en un contexto temporal reciente. Esto es fundamental, ya que los
avances en el campo de la computación cuántica y la ingeniería de software
cuántico evolucionan rápidamente, y es esencial mantenerse al día con las
investigaciones más actuales.
Potencial para aportar al estudio: Estos artículos se consideran
esenciales para el desarrollo de la investigación actual sobre la ingeniería de
software cuántico. Su contenido proporciona una base sólida para el análisis y
la síntesis de información en el artículo académico, contribuyendo así a una
comprensión más profunda de este campo emergente.
2.4. Procedimiento de extracción.
– En el proceso de
extracción, se recopilaron datos clave de los artículos seleccionados,
incluyendo información sobre los autores, resúmenes, metodologías y hallazgos
relevantes. Estos datos se utilizaron como base para el análisis y la síntesis
de la información en el próximo paso.
2.5. Procedimiento de síntesis.
– En la fase de síntesis, se
analizaron y compararon los datos extraídos de los artículos seleccionados. Se
identificaron patrones, tendencias y conclusiones relevantes en el campo de la
ingeniería de software cuántico y la computación cuántica. Estos hallazgos se
presentarán de manera detallada en las secciones siguientes del artículo
académico.
3. Revisión Literaria. – El marco teórico se
basa en tres fuentes principales:
3.1. Quantum Computing
Autores: Jose Luis Hevia, Guido Peterssen,
Christof Ebert y Mario Piattini
Editor: Christof Ebert
En
este artículo, se destaca que la computación cuántica se ha convertido en una
realidad. Los ordenadores cuánticos están disponibles para todos a través de
servicios en la nube o simulaciones. Se menciona que existen conjuntos de
herramientas que invitan a los profesionales a iniciar sus propios proyectos de
software cuántico y familiarizarse con esta tecnología innovadora. Además, se
evalúan las tecnologías disponibles para ayudar a los desarrolladores a
establecer su propio negocio de software cuántico. Se proporciona orientación
práctica basada en proyectos de tecnología cuántica realizados por los propios
autores. El editor, Christof Ebert, muestra interés en recibir comentarios
sobre el artículo y conocer las tecnologías que son más relevantes para el
trabajo de los lectores.
3.2.
The Talavera Manifesto for Quantum Software Engineering and Programming
Autores: Mario Piattini, Guido Peterssen,
Ricardo Pérez-Castillo, Jose Luis Hevia, Manuel A Serrano, Guillermo Hernández,
Ignacio García Rodríguez de Guzmán, Claudio Andrés Paradela, Macario Polo,
Ezequiel Murina, Luis Jiménez, Juan Carlos Marqueño, Ramsés Gallego, Jordi
Tura, Frank Phillipson, Juan M. Murillo, Alfonso Niño, Moisés Rodríguez
Este
manifiesto destaca que nos encontramos en los albores de una nueva era, la era
cuántica. Se señala que la computación cuántica ya no es un sueño, sino una
realidad que debe adoptarse. Sin embargo, debido a que esta tecnología está en
sus primeros pasos, aún no existen modelos, estándares o métodos que ayuden en
la creación de nuevos sistemas y la migración de los sistemas actuales. Se
propone volver a seguir el camino que tomó la ingeniería de software en el
siglo pasado para lograr una nueva era dorada en la ingeniería de software
cuántico.
3.3. FEATURE ARTICLE: QUANTUM SOFTWARE -
Toward a Quantum Software Engineering
Autores: Mario Piattini, Manuel Serrano,
Ricardo Perez-Castillo, Guido Petersen y Jose Luis Hevia.
Este
artículo se enfoca en el desarrollo de la ingeniería de software cuántico. Se
menciona que nos encontramos en los albores de la era cuántica y que es
necesario establecer modelos, estándares y métodos para la creación y migración
de sistemas cuánticos. Los autores provienen de instituciones académicas y la
empresa aQuantum, lo que sugiere una
combinación de conocimiento teórico y experiencia práctica en el campo de la
ingeniería de software cuántico.
Estas
fuentes proporcionan información relevante sobre la computación cuántica, la
ingeniería de software cuántico y la necesidad de desarrollar modelos y
estándares para aprovechar esta nueva tecnología.
4.1. The Talavera Manifesto for Quantum Software
Engineering and Programming
Aplicaciones
directas (computadoras cuánticas y software cuántico):
●
Privacidad y criptografía: certificación de aleatoriedad,
autenticación.
●
Cadena de suministro y logística: problemas de optimización en
compras, producción y distribución, optimización de rutas de vehículos, etc.
●
Química: simulaciones de moléculas complejas,
descubrimiento de nuevos materiales, diseño molecular avanzado, etc.
●
Economía y servicios financieros: Optimización del riesgo de
cartera y detección de fraudes, aleatoriedad real para modelos financieros,
simulaciones y análisis de escenarios, etc.
●
Energía y agricultura: producción de amoníaco, mejor
distribución de recursos, modelado de degradación de activos, etc.
●
Medicina y salud: plegamiento de proteínas y
descubrimiento de fármacos, detección de enfermedades, cirugías no invasivas y
de alta precisión, diseño de fármacos dirigidos, medicina a medida, mejora de
la calidad de vida, predicción de prescripciones terapéuticas, etc.
●
Programas de defensa y seguridad
nacional.
4.1.2. Principios y Compromisos
QSE es agnóstico con respecto a los
lenguajes y tecnologías de programación cuántica. QSE sirve para entregar
software cuántico con procesos y métodos que son comprensibles, controlables y
repetibles por amplias comunidades.
●
QSE adopta la coexistencia de la
computación clásica y cuántica, y aboga por el uso de técnicas de reingeniería para integrar
nuevos algoritmos cuánticos con los sistemas de información clásicos
existentes. También se necesitan técnicas de ingeniería inversa para analizar y
abstraer la información del programa cuántico que se integrará en los programas
clásicos.
●
QSE apoya la gestión de proyectos
de desarrollo de software cuántico, entregando software cuántico que cumple con el objetivo y
los requisitos comerciales iniciales, al mismo tiempo que garantiza que las
restricciones de calidad, tiempo y costo se cumplan adecuadamente. Las
metodologías para desarrollar programas cuánticos deben crearse o adaptarse a
partir de las existentes. También es necesario proporcionar métodos de
estimación del esfuerzo para el desarrollo de software cuántico.
●
QSE considera la evolución del
software cuántico. El
software Quantum debe mantenerse y evolucionar desde su inicio hasta su
eliminación. La evolución del software cuántico debe manejarse a lo largo de
todo el ciclo de vida del software cuántico.
●
QSE tiene como objetivo ofrecer
programas cuánticos con cero defectos deseables. Está a cargo de definir y aplicar técnicas
de prueba y depuración a los programas cuánticos de tal manera que la mayoría
de los defectos puedan detectarse y resolverse antes de que el programa sea
lanzado.
●
QSE asegura la calidad del
software cuántico.
La gestión de calidad tanto para el proceso como para el producto es esencial
si se va a producir software cuántico con los niveles de calidad esperados.
Dado que no podemos mejorar lo que no podemos medir, se deben desarrollar
nuevas métricas para programas cuánticos y procesos cuánticos.
●
QSE promueve la reutilización de
software cuántico. QSE
puede ayudar a los equipos de desarrollo a compartir, indexar y encontrar
software cuántico que se pueda reutilizar. Se debe abordar el estudio de
patrones de diseño y arquitectura para programas cuánticos. También es
necesario facilitar la comunicación técnica y trabajar en la creación de
bibliotecas de ejemplos de referencia y demostraciones de aplicaciones.
●
QSE aborda la seguridad y la
privacidad desde el diseño. Los sistemas de información cuántica deben ser seguros y
garantizar la privacidad de los datos y de los usuarios. QSE se compensa para
considerar la seguridad y la privacidad desde las fases iniciales del
desarrollo de software cuántico, es decir, desde el diseño.
●
QSE cubre el gobierno y la gestión
del software. Los
gerentes deben ser conscientes de los procesos particulares, las estructuras
organizativas, los principios, las políticas y los marcos, la información, la
cultura, la ética y el comportamiento, las personas, las habilidades y las
competencias, así como los servicios, la infraestructura y las aplicaciones que
están asociados con el software cuántico y que son (o debería ser)
proporcionada por las organizaciones.
Cada
una de las siguientes partes interesadas puede hacer algo ahora mismo para
comenzar.
Practicantes de software
Trate
de identificar los efectos de sus proyectos cuánticos en contextos técnicos,
económicos y organizacionales. Comience a hacer preguntas sobre cómo incorporar
los principios y compromisos en la práctica diaria. Piensa en las dimensiones
social e individual. Hable sobre estos temas con sus colegas.
Investigadores
Identifique
preguntas de investigación en su campo que puedan ayudarnos a comprender mejor
la ingeniería cuántica de software. Discútalos con sus compañeros y piense cómo
su experiencia en la investigación de ingeniería de software podría
transferirse al campo de investigación de software cuántico.
Educadores
Integrar
la ingeniería de software cuántico en los planes de estudio dentro de los
títulos y/o cursos de ingeniería de software existentes en esta u otras
disciplinas, y especificar claramente qué competencias y habilidades se
requieren para los futuros ingenieros de software cuántico.
Gobierno y organismos de financiación
Analizar
los compromisos proporcionados y considerar la ingeniería cuántica de software
en los planes estratégicos de investigación/industriales. Proporcionar
programas de financiación adecuados para apoyar dichos planes y contribuir con
la difusión de información sobre estos planes.
Proveedores de tecnología cuántica
Estar
activamente al tanto de las últimas tendencias en ingeniería cuántica de
software, y tratar de hacer todo lo posible para que se cumplan los compromisos
mencionados.
Asociaciones profesionales
Revisar
la práctica, intentando incorporar principios; reconocer explícitamente la
necesidad de considerar la ingeniería cuántica de software como parte de la
práctica profesional.
Clientes
Pon
tus preocupaciones sobre la mesa. Pregunte sobre esto en el próximo proyecto.
Usuarios
Exige
que el software que utilices abarque todos los principios mencionados.
Con
el surgimiento de las primeras computadoras cuánticas, los lenguajes de
programación iniciales y los algoritmos cuánticos arrojaron resultados
prometedores. Sin embargo, el software cuántico no ha comenzado a producirse de
forma industrial a gran escala.
4.2.
Toward a Quantum Software Engineering
Las
aplicaciones directas que se mencionan en el artículo son exactamente las
mismas que el artículo anterior (ya que el mismo es una extensión del anterior,
incluso se hace referencia a que fue escrito con base en él).
En
cuanto a la evolución de las técnicas de ingeniería de software proponen un
conjunto de áreas temáticas prioritarias a abordar:
- Programación cuántica
- Menciona el qubit
- Introduce la lógica de circuitos cuánticos y
compuertas cuánticas
- Ejemplo de sumador completo de dos números con
carry
- Menciona lenguajes de programación cuántica
- Tecnología cuántica e
Ingeniería de software
Es
hora de proponer y validar técnicas de ingeniería de software y lograr una
nueva era dorada para la ingeniería cuántica de software.
|
|
|
Figura I.- Gráfico con jerarquía y
relación entre diferentes disciplinas relacionadas con la ingeniería y
programación cuántica. Las áreas se organizan en capas, desde disciplinas más
generales hasta más específicas. |
4.2.3. Llamado a la acción
Cada
una de las siguientes partes interesadas puede hacer algo ahora mismo para
comenzar.
Recomendación para los practicantes
Empezar
aprendiendo los conceptos básicos de la computación cuántica (por ejemplo, un
primer paso podría ser el curso de computación cuántica Brilliant-s17) y
trabajando con algunos de los entornos disponibles (Microsoft-s Quantum
Development Kit, IBM-s Q Experience y QISkit, Google's Cirq, Dwave y Rigetti's
Forest, entre otros), con el fin de evaluar los beneficios que este nuevo
paradigma podría aportar a sus aplicaciones de software.
Recomendación para las universidades
Seguir
los consejos de Boehm: “mantener los cursos y el material didáctico
continuamente renovados y actualizados, y anticipar las tendencias futuras y
preparar a los estudiantes para enfrentarlas” y, por lo tanto, incorporar en
los planes de estudio cursos sobre tecnologías cuánticas, computación cuántica
e ingeniería de software cuántica. Recordando que como Booch comenta: “No
importa el medio, la tecnología o el dominio, siempre se aplicarán los
fundamentos de la ingeniería de software sólida: crear abstracciones sólidas”,
por lo que debemos dedicar una cantidad considerable de tiempo para transmitir
estos fundamentos. Ya existe una demanda urgente de ingeniería de software
cuántico.
Recomendación para toda la comunidad de
Ingeniería de software
Tenemos
una oportunidad muy interesante de traer una nueva era dorada y contribuir de
manera importante al avance de nuestra sociedad.
- La computación cuántica afectará a todas las
áreas de la ingeniería de software. La mayoría de las 14 áreas en SWEBOK
deberán ser actualizadas para contemplar cuestiones cuánticas.
- en gran medida en: Diseño, Construcción, Pruebas de
software
- moderadamente en: Requisitos de software, procesos de
ingeniería de software, modelos y métodos de ingeniería de software y
fundamentos informáticos
- muy poco o ningún impacto
en: Gestión de la
configuración, práctica profesional de ingeniería de software, economía
de ingeniería de software, fundamentos matemáticos y fundamentos de ing.
Para las primeras 4 áreas (Diseño, Construcción, Pruebas y
Mantenimiento) proponen:
- Diseño de sistemas híbridos cuánticos
- Técnicas de prueba para programas cuánticos
- Calidad de los programas cuánticos
- Reingeniería y modernización hacia la
clasificación de sistemas de información cal-quantum
Otras áreas de interés: sostenibilidad de las
aplicaciones cuánticas (la energía puede ser un problema en los algoritmos
cuánticos y los sistemas cuánticos que consumen mucha energía deben ajustarse
para que sean útiles y viables)
- Desarrollo de una disciplina completa de
ingeniería de software cuántica con el fin de explotar el potencial del HW
informático cuántico comercial cuando llegue
- Desafío: construir los lenguajes, herramientas y
técnicas correspondientes para la ingeniería de software cuántico
- Necesidad de elevar el nivel de pensamiento
sobre los programas cuánticos
- Necesidad de herramientas de ingeniería de
software para la programación cuántica
- Urgencia de comenzar a desarrollar y/o adaptar
las técnicas clásicas de ingeniería de sw a las características de la
programación cuántica.
- Tres cosas importantes a considerar:
- Varios científicos informáticos cuánticos no
conocen los principios y técnicas de la ingeniería de software, por lo
que podrían cometerse varios errores nuevamente y podrían ocurrir algunos
"redescubrimientos" costosos
- Deberíamos adoptar un enfoque más “ágil” al
proponer y desarrollar técnicas cuánticas de ingeniería de software, es
decir, no esperar a que los lenguajes de programación cuántica sean
“estables” o “refinados” para adaptar las técnicas existentes o crear otras
nuevas, sino desarrollarlos en paralelo con la evolución de los lenguajes
cuánticos, a partir de ahora.
- Aprendiendo de los errores del pasado, a la hora
de proponer nuevas técnicas cuánticas de ingeniería de software, la
validación empírica debería ser imprescindible.
- Proponer y validar técnicas de ingeniería de
software para lograr una nueva “era dorada” para la ingeniería de software
cuántica.
La promesa de la computación cuántica es
acelerar enormemente algoritmos tan complejos. Hoy en día, incluso las
supercomputadoras fallan debido a la alta complejidad algorítmica porque muchos
algoritmos aún funcionan en secuencias que se basan en los resultados de un
paso anterior.
Campos
en los que avanzará rápidamente:
●
Ciencia de datos
●
Reconocimiento de patrones
●
Ciberseguridad
Obstáculo identificado: Falta
de métodos apropiados y tecnología insuficientemente escalable.
Simuladores cuánticos
Se
simula el algoritmo cuántico en hardware clásico (CPU) y computadoras cuánticas
reales, con unidades de procesamiento cuántico (QPU), en las que se construyen qubits utilizando una amplia variedad de
tecnologías: métodos de trampa de iones, superconductores y fotónicos, entre
otros.
Computadoras cuánticas
Afectan
la forma en que se desarrollan las aplicaciones
●
De recocido cuántico: los que se basan en la
construcción de modelos cuadráticos binarios para resolver un problema
●
Basadas en compuertas: los que se basan en la
construcción de circuitos cuánticos basados en compuertas.
Qubits
Bits
que se mantienen en superposición y utilizan principios cuánticos para
completar los cálculos. Un dígito binario siempre está en uno de dos estados definidos,
es decir, cero o uno. Los qubits se encuentran en una superposición de estos
estados binarios clásicos de cero y uno.
Superposición
Capacidad
de los qubits de estar en más de un
estado físico a la vez, lo que nos permite paralelizar combinaciones. Múltiples
qubits también pueden enredarse. Si
mide el estado de un qubit
entrelazado con otro qubit, el
resultado de medir el otro qubit se
correlaciona de alguna manera con el primero, incluso si los dos qubits están muy separados. La
superposición y el entrelazamiento se usan juntos para la cuántica.
●
Estos efectos crean desafíos prácticos con las computadoras
cuánticas reales:
○
Requieren entornos de laboratorios sofisticados
○
La información puede decaer cuando se captura el estado del
sistema.
Desde
un punto de vista algorítmico, la computación cuántica puede resolver problemas
de mayor complejidad que la computación clásica, más rápido y también con
ahorros de costos y energía.
Las
aplicaciones de la computación cuántica son múltiples. Debido al paralelismo
extremo de los algoritmos cuánticos, la computación cuántica puede acelerar
algunos desafíos paralelos masivos, como la ciencia de datos y el
reconocimiento de patrones.
En el
lado oscuro, los algoritmos paralelos masivos también facilitarán la piratería
de cualquier clave criptográfica actual con mucho menos esfuerzo del que se
supone actualmente.
Desarrollo
de software cuántico
Las
plataformas de software cuántico ofrecen las siguientes funciones:
- Brindan a los usuarios acceso a computadoras
cuánticas para realizar cálculos cuánticos a través de servicios en la
nube.
- Proporcionan abstracciones entre el hardware
subyacente y las aplicaciones de software reales. Esto incluye bibliotecas
para facilitar el uso de la computadora cuántica en simulación o como
hardware real.
- Ofrecen kits de desarrollo y plataformas
informáticas para aumentar la competencia del usuario final.
- Apoyan a los ingenieros de software en el
desarrollo y prueba de sus algoritmos cuánticos.
- Mejoran la confiabilidad y el rendimiento de las
computadoras cuánticas físicas. Una debilidad inherente de cualquier
sistema de computación cuántica son los errores en la transición de
estados digitales a estados cuánticos. Pueden ocurrir errores aleatorios
debido al hardware utilizado actualmente. El software de corrección de
errores aumenta la estabilidad y la confiabilidad de las computadoras
cuánticas.
- Los proveedores de hardware cuántico como IBM,
Rigetti y Google ofrecen unos 100 qubits
a escala de laboratorio 4,5. Esto es impresionante y demuestra cuán rápido
está evolucionando la tecnología, pero aún no es suficiente para ejecutar
aplicaciones de software reales. Por lo tanto, las aplicaciones cuánticas
que imaginamos hoy están separando la pila de hardware real del nivel de
software
- Esperamos que las computadoras cuánticas se
amplíen a un ritmo como el de la ley de Moore. A corto plazo, una red
cuántica accesible mediante servicios en la nube podría mostrar resultados
desde la perspectiva del software. Al conectar dispositivos cuánticos
individuales, se podría crear una supercomputadora cuántica. Un paso
adelante más grande es una red cuántica basada en qubits entrelazados para el intercambio rápido de información.
La ciberseguridad es un dominio de aplicación obvio de dicha red para
facilitar la distribución de claves cuánticas con un protocolo de
criptografía que se basa en partículas cuánticas interconectadas.
- Construir e incluso usar una computadora cuántica
implica una gran inversión debido a la pila de hardware cuántico
subyacente.
5. Temas emergentes o tendencias
Basado
en los artículos analizados, se pueden identificar algunos temas emergentes y tendencias
en el campo de estudio de la computación cuántica y la ingeniería de software
cuántico. A continuación, se presenta una discusión sobre estos temas:
Avances
en la disponibilidad y accesibilidad de la computación cuántica: Se destaca en
los artículos que la computación cuántica se ha vuelto más accesible y
disponible para un público más amplio. La existencia de servicios en la nube y
simulaciones permite que los desarrolladores tengan acceso a recursos de
computación cuántica sin necesidad de poseer su propio hardware especializado.
Esta tendencia de mayor accesibilidad ha fomentado el inicio de proyectos de
software cuántico por parte de los practicantes y ha impulsado el interés en
esta tecnología emergente.
Necesidad
de modelos y estándares en la ingeniería de software cuántico: Dado que la
computación cuántica es una tecnología en sus primeros pasos, existe una falta
de modelos, estándares y métodos para el desarrollo de sistemas cuánticos. Los
artículos resaltan la importancia de establecer una base sólida de ingeniería
de software cuántico mediante la adopción de enfoques similares a los que se
han utilizado en la ingeniería de software clásica. Esta necesidad de modelos y
estándares es un tema recurrente en los artículos analizados.
Integración
de la computación cuántica en diferentes dominios: Se menciona la necesidad de
explorar y aplicar la computación cuántica en diversos dominios y sectores. Los
artículos sugieren que la computación cuántica tiene el potencial de impactar
áreas como la criptografía, la optimización, la simulación molecular y el
aprendizaje automático. Esta tendencia hacia la integración de la computación
cuántica en diferentes campos indica un interés creciente en aprovechar sus
capacidades para abordar problemas complejos y desafiantes en diversas áreas de
estudio.
Orientación
hacia el emprendimiento en el ámbito del software cuántico: Uno de los
artículos menciona la evaluación de tecnologías para ayudar a los
desarrolladores a establecer su propio negocio de software cuántico. Esto
sugiere una tendencia emergente hacia el emprendimiento en el campo de la
computación cuántica y la exploración de oportunidades comerciales relacionadas
con el desarrollo y la prestación de servicios de software cuántico.
Los
temas emergentes y las tendencias identificadas en los artículos analizados
incluyen la mayor disponibilidad y accesibilidad de la computación cuántica, la
necesidad de establecer modelos y estándares en la ingeniería de software
cuántico, la integración de la computación cuántica en diversos dominios y el
enfoque hacia el emprendimiento en el ámbito del software cuántico. Estas
tendencias reflejan el interés y el avance continuo en el campo de la
computación cuántica y ofrecen perspectivas sobre el futuro desarrollo de esta
tecnología.
En
términos de metodología, los papers
analizados presentan diferentes enfoques. El primer artículo, "Quantum Computing" de Jose
Luis Hevia, Guido Peterssen, Christof Ebert y Mario Piattini, no especifica la
metodología utilizada, ya que se trata de un artículo editorial que destaca la
disponibilidad y accesibilidad de la computación cuántica, así como la
evaluación de tecnologías para ayudar a los desarrolladores a iniciar su propio
negocio de software cuántico.
El
segundo artículo, "The Talavera
Manifesto for Quantum Software Engineering and Programming", no
describe una metodología específica, pero se enfoca en la necesidad de
desarrollar modelos, estándares y métodos en la ingeniería de software
cuántico. Propone volver a los principios de la ingeniería de software clásica
para guiar el desarrollo de sistemas cuánticos.
El
tercer artículo, "Toward a Quantum
Software Engineering" de Mario Piattini, Manuel Serrano, Ricardo
Perez-Castillo, Guido Petersen y Jose Luis Hevia, no se menciona explícitamente
la metodología utilizada, pero se destaca la necesidad de establecer una base
sólida de ingeniería de software cuántico para impulsar el desarrollo de nuevos
sistemas y la migración de los existentes.
En
cuanto a los resultados y conclusiones, los artículos enfatizan los siguientes
hallazgos y conclusiones:
●
La computación cuántica se ha vuelto más accesible y disponible
para un público más amplio a través de servicios en la nube y simulaciones.
●
Existe una falta de modelos, estándares y métodos en la ingeniería
de software cuántico, lo que resalta la necesidad de establecer una base sólida
en este campo.
●
La integración de la computación cuántica en diferentes dominios,
como la criptografía, la optimización y el aprendizaje automático, presenta
oportunidades de aplicación y desarrollo.
●
Se sugiere la exploración de oportunidades empresariales en el
ámbito del software cuántico, y se evalúan tecnologías que puedan ayudar a los
desarrolladores a establecer su propio negocio en este campo.
La
interpretación de los resultados del análisis en relación con los objetivos
planteados revela varios aspectos importantes. En primer lugar, se destaca la
relevancia y creciente disponibilidad de la computación cuántica, lo cual
respalda la importancia de investigar y desarrollar en el campo del software
cuántico. Los papers seleccionados
proporcionan perspectivas y propuestas para abordar los desafíos actuales en
esta área.
Una reflexión crítica sobre los aspectos
positivos y negativos de los papers
seleccionados revela lo siguiente:
6.1. Aspectos positivos
●
Los papers reconocen la
necesidad de una base sólida en ingeniería de software cuántico y plantean
propuestas para su desarrollo.
●
Se resalta la importancia de la disponibilidad y accesibilidad de
la computación cuántica, lo que fomenta la participación de más desarrolladores
en este campo emergente.
●
Los papers ofrecen
orientación práctica y evaluación de tecnologías para ayudar a los
desarrolladores a iniciar sus propios proyectos de software cuántico o
emprender en este ámbito.
●
Se observa una falta de consenso en términos de modelos,
estándares y métodos en la ingeniería de software cuántico, lo que refleja la
etapa temprana de desarrollo de este campo.
●
No se mencionan ejemplos específicos de proyectos de tecnología
cuántica realizados, lo que podría haber enriquecido la discusión sobre las
experiencias prácticas y los desafíos encontrados.
Identificar
posibles lagunas o áreas para futuras investigaciones es esencial para el
avance del campo. Con base en los papers
analizados, se pueden identificar las siguientes áreas de interés para futuras
investigaciones:
●
Desarrollo de modelos y estándares en la ingeniería de software
cuántico para facilitar la creación y migración de sistemas cuánticos.
●
Exploración de aplicaciones más amplias de la computación cuántica
en diferentes dominios, como la biotecnología, la logística y la simulación de
materiales.
●
Investigación sobre la seguridad y privacidad en el contexto de la
computación cuántica, especialmente en lo que respecta a la criptografía y la
protección de datos sensibles.
●
Evaluación de las implicaciones éticas y sociales de la
computación cuántica, considerando aspectos como la equidad, el impacto
medioambiental y la gobernanza de esta tecnología emergente.
Estas
áreas ofrecen oportunidades para profundizar en el conocimiento y abordar los
desafíos pendientes en el campo del software cuántico, promoviendo así su
desarrollo y aplicabilidad en diversos sectores.
7. Conclusiones. - El análisis realizado sobre los papers seleccionados ha proporcionado
una visión amplia del campo de estudio de la computación cuántica y el
desarrollo de software relacionado. A partir de este análisis, se pueden
destacar las siguientes conclusiones:
Quantum computing ha dejado de ser un concepto teórico y se ha convertido en una
realidad accesible para todos. La disponibilidad de computadoras cuánticas a
través de servicios en la nube o simulaciones ha permitido a los
desarrolladores explorar y familiarizarse con esta tecnología novedosa.
Los papers analizados abordan diferentes aspectos relacionados con la computación cuántica y el desarrollo de software cuántico. Se han presentado tecnologías, enfoques metodológicos y guías prácticas para ayudar a los desarrolladores a iniciar sus propios proyectos de software cuántico y establecer negocios en este ámbito.
Se ha observado una tendencia emergente en el campo de estudio hacia la ingeniería de software cuántico. A medida que la tecnología cuántica avanza, se reconoce la necesidad de modelos, estándares y métodos que respalden el diseño y la migración de sistemas cuánticos.
La comparación de los papers reveló diferentes enfoques metodológicos, resultados y conclusiones. Sin embargo, existe una convergencia en la importancia de promover la colaboración entre investigadores y desarrolladores de software cuántico para avanzar en el campo.
Los principales hallazgos de los papers destacan la necesidad de establecer un marco teórico sólido para respaldar la ingeniería de software cuántico. Se identificaron lagunas en la literatura existente, lo que sugiere áreas para futuras investigaciones, como el desarrollo de estándares y mejores prácticas para el diseño y la implementación de sistemas cuánticos.
En general, el análisis de estos papers proporciona una base sólida para comprender el estado actual de la computación cuántica y la ingeniería de software cuántico. A medida que esta tecnología continúa evolucionando, es fundamental seguir investigando y explorando nuevas soluciones para aprovechar todo su potencial en el desarrollo de software avanzado y revolucionar diversos campos de aplicación.
1.1.
7. Referencias
[1] Hevia, J. L., Peterssen, G., Ebert, C., and
Piattini, M. (2021). Quantum
Computing. Publisher: IEE SOFTWARE
[2]
Piattini, M., Peterssen, G., Pérez-Castillo, R., Hevia, J. L., Serrano, M. A.,
Hernández, G., Rodríguez de Guzmán, I. G., Paradela, C. A., Polo, M., Murina,
E., Jiménez, L., Marqueño, J. C., Gallego, R., Tura, J., Phillipson, F.,
Murillo, J. M., Niño, A., and Rodríguez, M. (2020). The Talavera Manifesto for Quantum
Software Engineering and Programming. Publisher: Interna-tional Workshop on
QuANtum SoftWare Engineering & pRogramming (QANSWER).
[3]
Piattini, M., Serrano, M., Perez-Castillo, R., Petersen, G., and Hevia, J. L.
(2021). FEATURE
ARTICLE: QUANTUM SOFTWARE - Toward a Quantum Software Engineering. Publisher:
IEEE Computer Society
Nota
contribución de los autores:
1.
Concepción y diseño del estudio
2.
Adquisición de datos
3.
Análisis de datos
4.
Discusión de los resultados
5.
Redacción del manuscrito
6.
Aprobación de la versión final del manuscrito
AA
ha contribuido en: 1, 2, 3, 4, 5 y 6.
SPM
ha contribuido en: 1, 2, 3, 4, 5 y 6.
Nota
de aceptación: Este artículo fue aprobado por los editores
de la revista Dr. Rafael Sotelo y Mag. Ing. Fernando A. Hernández Gobertti.