Informática Ambiental | 03/08/2020

Computación Cuántica y Medio Ambiente

Computación Cuántica y Medio Ambiente

La contaminación ambiental es un problema global que pone en riesgo la calidad de vida de las personas, el crecimiento económico y también la evolución de la especies que habitan en el planeta. Actualmente existen varios problemas ambientales de escala planetaria tales como: el cambio climático, pérdida de biodiversidad, tráfico de especies silvestres, contaminación de los océanos, escasez de agua, entre otros.

La solución a estos grandes problemas ambientales con la tecnología actual puede tomar varios años, por lo que se requiere explorar tecnologías innovadoras que contribuyan a acelerar la investigación y desarrollo de soluciones para el beneficio del Medio Ambiente. La Inteligencia Artificial y el Machine Learning han contribuido significativamente a labores de conservación y se espera que las aplicaciones de inteligencia artificial en medio ambiente se incrementen, especialmente en asuntos como biodiversidad, cambio climático, conservación y ecología. Junto con estas tecnologías la Computación Cuántica tiene el potencial de acelerar descubrimientos y aplicaciones que contribuyan a solucionar diversos problemas ambientales. Pero espera un momento ¿que  rayos es la Computación Cuántica?, a continuación, trataré de explicarlo brevemente sin usar formulas matemáticas y ecuaciones que además de hermosas suelen ser complicadas.

¿Qué es la Computación Cuántica?

Los computadores tradicionales trabajan a nivel de voltajes en circuitos electrónicos y realizan cálculos basándose en el sistema binario, procesando Bits de información. Cada Bit solo puede tomar el valor de uno o cero, debido a esto existen algunos problemas que a este tipo de computadoras le llevarían miles o millones de años en resolver por ejemplo asuntos relacionados a encriptación de información o problemas de optimización. Sin embargo, los computadores cuánticos son diferentes ya que trabajan a nivel atómico, en lugar de bits usan cubits, los que pueden tomar al mismo tiempo el valor de cero y uno, esta propiedad es la que da a las computadoras cuánticas el potencial de ser mucho más rápidas y resolver problemas que las computadoras clásicas no pueden.

Cubits vs Bits

  • Bit

Cada Bit puede tener solamente dos estados posibles, cero o uno, cuando hay electricidad corresponde a 1 y cuando no hay electricidad corresponde a cero. Los Bits son la unidad de información esencial para las computadoras clásicas. Ocho Bits forman un Byte y por ejemplo para representar la letra C se necesita 1 Byte.

  • Cubit

Los cubits son la unidad de información esencial para las computadoras cuánticas. Cada cubit puede almacenar cualquier combinación de cero y uno al mismo tiempo, es decir pueden tomar ambos valores a la vez, además pueden superponerse y entrelazarse en conformidad a las leyes de la mecánica cuántica.

Computación cuántica y medio ambiente

A continuación, describo cinco áreas en donde la computación cuántica puede contribuir al Medio Ambiente.

  • Mejoras en catalizadores y materiales para captación de Dióxido de Carbono.

El Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC) ha establecido que para mitigar los riesgos del Cambio Climático, es necesario reducir las emisiones de Dióxido de Carbono y  capturar el que ya ha sido emitido y se encuentra en la atmósfera. Para lograr este ambicioso objetivo es necesario contar con catalizadores o materiales que capturen el Dióxido de Carbono y lo transformen en otros productos útiles. No obstante, los catalizadores son caros y difíciles de implementar a escala planetaria. Para identificar materiales que den origen a catalizadores mas baratos y mejores en la captura de Dióxido de Carbono, se necesita realizar muchas simulaciones químicas (prueba y error), pero estas simulaciones requieren mucho poder de computo para entregar resultados en un tiempo razonable. Es aquí donde la Computación Cuántica puede contribuir a simular en forma más rápida las propiedades fisicoquímicas de nuevos materiales, para encontrar qué materiales o qué combinaciones de estos, tienen mayor potencial de ser usados en aplicaciones industriales con menores costos de producción.

Estos nuevos catalizadores pueden contribuir a capturar en forma más rápida y más eficiente el Dióxido de Carbono de la atmósfera y también pueden contribuir a reducir las emisiones de otros gases contaminantes como dióxidos de nitrógeno, ozono troposférico, compuestos orgánicos volátiles, etc. Los que afectan la calidad del aire en la mayoría de las grandes ciudades del mundo.

  • Desarrollo de nuevas y mejores baterías

Para acelerar la transición desde combustibles fósiles como el carbón, petróleo y gas natural a energías renovables como la solar o eólica, se necesitan baterías que permitan almacenar la energía producida en las plantas fotovoltaicas o turbinas eólicas. Esto se debe a que la producción de energía a partir de paneles solares y de aerogeneradores no es constante y depende de la luz solar y el viento. Las baterías actuales son bastante caras, no almacenan la energía durante mucho tiempo, y no son fáciles de adquirir a gran escala, para la mayor parte de los países del mundo, especialmente las naciones en vías de desarrollo de Asía, África y Latinoamérica.

El uso de la Computación Cuántica permitirá acelerar la simulación de los procesos físico químicos que pueden dar origen a nuevos materiales que permitan mejorar las baterías y reducir los costos de producción.

  • Resolver problemas de optimización más rápido

Existen muchos problemas de optimización que para ser resueltos requieren mucho poder de computo o no se pueden resolver en un tiempo razonable. Estos problemas pueden ser el diseño de rutas de reparto de mercancías, problemas aerodinámicos, etc. Mediante el empleo de la computación cuántica se podrían resolver algunos de estos problemas, lo que puede resultar en servicios más eficientes y con menores emisiones de gases invernadero.

  • Modelación de sistemas climáticos

La simulación del clima en la Tierra es una de las tareas más complejas que existen pues son muchas las variables que interactúan entre si, y en donde pequeñas variaciones pueden generar resultados diferentes. La comprensión del clima permite hacer mejores pronósticos. El gran poder de cálculo de la Computación Cuántica podría usarse para modelar muchas más variables del sistema climático lo que permitiría hacer pronósticos meteorológicos y climáticos mucho más precisos.

 

Los problemas ambientales debieran hacernos cuestionar los valores con que hemos construido la sociedad y la forma en que usamos la tecnología para resolver los problemas de contaminación que afectan a todo el mundo. Es indudable que el desarrollo de la Computación Cuántica ayudará en el futuro a comprender mejor y a resolver muchos de los grandes problemas ambientales que el mundo enfrenta actualmente. Sin embargo, no debemos nunca olvidar que la solución a los problemas ambientales debe comenzar ahora mismo y debe partir por cambiar nuestros patrones de consumo, conductas y de la forma en que nos relacionamos con el medio ambiente, y eso no requiere de tecnologías avanzadas. Mas bien requiere el compromiso, conciencia y trabajo coordinado de las personas, comunidades, organizaciones y gobiernos.

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