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"La ventaja puede ser de hasta un 30%": así utilizan la computación cuántica Volkswagen y D-Wave para mejorar el tráfico de las ciudades
Investigación

"La ventaja puede ser de hasta un 30%": así utilizan la computación cuántica Volkswagen y D-Wave para mejorar el tráfico de las ciudades

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La computación cuántica ya se utiliza en las grandes ciudades. Seguimos en fase de experimentación, pero gigantes como Volkswagen no quieren perderse uno de los trenes con más potencial para los próximos años. La semana pasada en Lisboa, durante la celebración del congreso Web Summit, la compañía alemana nos enseñó su proyecto de optimización del tráfico en ciudades mediante algoritmos cuánticos.

Para conocer este pionero trabajo pudimos reunirnos con Vern Brownell, CEO de D-Wave y Martin Hofmann, CIO del Grupo Volkswagen, quienes nos explican cómo pretende la computación cuántica mejorar el tráfico y por qué un fabricante de coches está interesado en invertir en este tipo de tecnologías.

"Hasta ahora la computación cuántica ha sido principalmente académica, pero es momento de preguntarse; ¿qué tipo de problemas puede ayudar a solucionar?", reflexiona el director de innovación de la marca alemana. La conclusión es que todavía faltan años para que obtengamos sus ventajas, pero al igual que otras tecnologías como el 5G o la inteligencia artificial, la computación cuántica ya está preparada para que las grandes empresas empiecen a invertir en ella y busquen cómo sacarle partido.

Volkswagen y D-Wave se unen para optimizar la ruta de 9 buses

Volkswagen Time

"Uno tiende a subestimar una tecnología hasta que le impacta. Con la computación cuántica estamos ante una de las cuatro o cinco tecnologías del futuro, junto áreas como la biotecnología o la inteligencia artificial", asegura Hofmann.

El origen del experimento se remonta tres años atrás, cuando el grupo de Tecnología de la Información liderado por Hofmann acude a las oficinas de D-Wave en Palo Alto. Entonces los equipos de las dos compañías empezaron a trabajar en cómo utilizar la computación cuántica para predecir el tráfico y optimizar en tiempo real cuál es la mejor ruta para cada uno de los vehículos.

El año pasado se empezó trabajando con los datos de 418 taxis en Beijing y sus respectivas geolocalizaciones. En primer lugar se probó un algoritmo clásico para analizar el tráfico y se vio que era capaz de predecir el movimiento de esos taxis con 45 minutos de antelación. En segundo lugar se desarrolló un algoritmo funcional con un ordenador cuántico para ver qué ventajas se tenía a la hora de predecir el tráfico y encontrar rutas alternativas. Hofmann describe el algoritmo como "muy experimental", pero las simulaciones realizadas con los datos de China fueron suficientes claros como para proseguir con el proyecto. "Con el algoritmo cuántico somos capaces de optimizar una ruta cada pocos minutos", explica.

"Por primera vez, vamos a aplicar estos algoritmos cuánticos para optimizar el tráfico. Utilizaremos nueve autobuses en la ciudad de Lisboa, basándonos en datos anónimos y el servicio en la nube de D-Wave, uno de los primeros proveedores comerciales de ordenadores cuánticos", explica Hofmann. Estos nueve buses fueron distribuidos en tres líneas diferentes con 26 paradas que viajaban desde el centro de la ciudad hasta el congreso Web Summit, en las afueras de la ciudad. Al contrario que las líneas de buses tradicionales, el viaje de aproximadamente media hora se adaptaba en tiempo real después de calcularse en cada momento cuál iba a ser el número de pasajeros y cuál era la ruta más óptima.

Web Summit Quantum Autoridades del gobierno portugués y miembros de Volkswagen durante la presentación del 'Quantum Shuttle' en Lisboa.

Cada un par de minutos, el conductor de los autobuses de prueba en Lisboa recibía una indicación con la ruta más óptima según los cálculos del algoritmo cuántico.

Durante los cuatro días que duró el congreso, los 'Quantum Shuttle' estuvieron realizando viajes constantemente siguiendo las instrucciones de la optimización de la ruta. Se trata de una primera prueba sobre el terreno con vehículos reales para determinar la mejoría del algoritmo cuántico. Volkswagen tardará en anunciar los resultados pero según las simulaciones, la ventaja podría ser de hasta un 20%-30% en el tiempo en comparación con las actuales recomendaciones que utilizan en Here Maps.

A través de una tableta con Here Maps, los conductores de los autobuses recibían cada dos minutos la ruta más optimizada. Aunque lo cierto es que, según lo que vimos, el recorrido no se diferenciaba de algunas propuestas de Google Maps. Tuvimos la oportunidad de subirnos al autobús en dos ocasiones y varias veces se optó por una ruta alternativa de Google Maps. Claro está, el tiempo de viaje depende altamente del tráfico por lo que a simple vista es prácticamente imposible discernir si había una mejora.

Un sistema híbrido cuántico con múltiples desafíos

App Tablet

"Este proyecto piloto de Volkswagen es uno de los primeros en hacer un uso masivo de ordenadores cuánticos, y su continua innovación nos acerca más que nunca a la consecución de una computación cuántica verdadera y práctica", explica Vern Brownell, presidente y CEO de D-Wave desde 2009.

Para realizar las predicciones, el equipo de Volkswagen se basó en las geo-coordenadas anónimas y los datos de flujo de los pasajeros extraídos de móviles Android. "Los datos están agrupados, por lo que no conocemos las ID", explica Hofmann. Se trata de una práctica habitual en las empresas, que aprovechan grandes conjuntos de datos para entrenar sus algoritmos.

"El efecto Google Maps es el siguiente: si hay un atasco, lo que hace es recalcular la ruta y te envía por otro lado. El algoritmo asigna a cada vehículo una ruta individual y vuelve a anticipar el resultado". Pero como explica el equipo de Volkswagen, esto no equivalente a su algoritmo. "El objetivo no es solo optimizar nueve rutas individuales. Lo que no queremos es optimizar un coche de la mejor manera, pero que el otro esté esperando varias horas. En promedio quizás sea correcto, pero uno de los conductores no estará contento. La premisa es que ningún viaje sea más largo que su alternativa sin optimizar y que en conjunto para todo el sistema, el tiempo de viaje se reduzca".

"El tiempo de latencia es importante en la optimización. Queremos que todos los vehículos sigan lo que llamamos la "ruta cuántica", pero debemos darles instrucciones cada pocos minutos. El principal problema con el algoritmo clásico es que es secuencial; a medida que crecemos en número de vehículos, el tiempo aumenta considerablemente. Con el ordenador de D-Wave hablamos de tiempos de cálculo de milisegundos".

Rutas Predicción clásica (izquierda) vs posibles rutas recomendadas por el algoritmo cuántico (derecha).

"Estamos intentando crear una solución escalable. Nuestro 'Quantum annealer' es particularmente bueno resolviendo problemas de optimización. Con cada generación de nuestro sistema se vuelve más poderoso. Ahora mismo estamos en la cuarta generación", explican desde D-Wave.

"Nuestro 'Quantum annealer' es particularmente bueno resolviendo problemas de optimización".

Tenemos dos elementos importantes. En primer lugar está el cálculo de la ruta. Aquí lo que hace el algoritmo cuántico es buscar en todo momento la "configuración de mínima energía para todos los vehículos". Es decir, no calcula la ruta óptima para cada vehículo, sino que realiza el cálculo como un todo. Algo que puede realizar más fácilmente que un algoritmo clásico al no ser secuencial.

Por otro lado tenemos la predicción del tráfico, es decir, los datos en los que se basa el algoritmo cuántico para predecir la ruta. Aquí, como nos explica Dr. Florian Neukart, Director de Tecnologías Avanzadas e Innovación de Volkswagen America y uno de los investigadores principales del proyecto, "el problema con los grandes conjuntos de datos, más grandes que la capacidad del chip, puede ser solucionado por descomposición utilizando un sistema híbrido". La técnica consiste en dividir la ciudad o los taxis en pequeños grupos, aplicar un algoritmo clásico de machine learning para calcular la densidad de tráfico y finalmente aplicar el algoritmo cuántico para encontrar la mejor solución rápidamente.

Trabajando con el ordenador de D-Wave situado en Vancouver

Florian Dr. Florian Neukart (derecha), Director de Tecnologías Avanzadas e Innovación de Volkswagen America y líder del proyecto de computación cuántica para optimizar el tráfico.

¿Cómo se programan estos algoritmos? ¿Se utiliza algún lenguaje especial? "No queremos introducir otro lenguaje de programación, así que básicamente proveemos de distintas APIs y un kit de desarrollo. Probablemente puedas utilizar Python o C++ para todo, pero también tenemos kits para otros lenguajes", explican desde D-Wave. "Hemos desarrollado un kit de herramientas abierto, pero Volkswagen tiene un equipo muy experimentado. Tienen sus propios expertos aquí".

"Florian es físico cuántico. Ahora mismo trabajamos con complejas ecuaciones matemáticas, pero con el tiempo las herramientas serán más y más sencillas. Estamos en un momento equivalente a los años 70, donde todo el trabajo era a nivel de máquinas", reflexiona Hofmann.

Un momento ideal para que científicos como Florian publiquen sus investigaciones y obtengan patentes, como la que dispone en EE.UU el experto de Volkswagen respecto a este sistema para predecir y optimizar el tráfico.

¿Cuántos recursos dedica Volkswagen a investigar las posibilidades de la computación cuántica? "Invertimos en el salario de unas 12 personas, expertos con amplia libertad para experimentar con nuevas tecnologías. No es algo con lo que esperamos rentabilidad el día de mañana, pero si el proyecto tiene éxito en el futuro podremos brindar un banco de pruebas más grande." argumenta Hofmann, quien deja entrever que, con suerte, el año que viene podrían presentar las primeras aplicaciones de esta tecnología en sus automóviles. "Aquí es donde nuestros clientes podrían empezar a recibir el beneficio de esta nueva tecnología".

"Volkswagen utiliza nuestro sistema en tiempo real. Nuestros primeros clientes fueron en 2010 y llevamos funcionando desde entonces con un alto nivel de fiabilidad", explica Brownell. "Actualmente el algoritmo se ejecuta sobre 2.000 qubits y se encuentra en Vancouver, Canadá, donde se ubican nuestra sede y donde se aloja nuestro sistema en la nube".

El sistema en la nube de D-Wave no es nuevo. En marzo de 2019, la compañía ya anunciaba que disponían de 150 aplicaciones que hacían uso de la potencia de cálculo de su ordenador cuántico. "Pagamos por uso. Cuanto más tiempo de cálculo, más pagas. Es un sistema equivalente a lo que ofrecen otras compañías como Amazon. Pero el tiempo de cálculo es muy poco; para estos cuatro días no necesitaremos más que unas horas de D-Wave", comenta Hofmann.

"Al final, nuestra idea es que no necesitas entender cómo funciona la computación cuántica para utilizar un ordenador cuántico. Es simplemente otro recurso de computación. Intentaremos hacerlo lo más fácil posible para las empresas que trabajen con nosotros", comenta el CEO de D-Wave.

Vern D Vern Brownell, CEO de D-Wave.

Además de la optimización del tráfico, algunas de las funciones para las que ya se ha planeado utilizar el ordenador de D-Wave son la creación de nuevas inteligencias artificiales, optimización de soluciones empresariales, cálculos de química cuántica, optimización de los asientos en los vuelos o desarrollo de movimientos robóticos. "Hay muchos ejemplos. Y lo mejor es que nosotros no somos expertos en esos campos. Nuestra tarea es trabajar junto a clientes como Volkswagen para que experimenten con nuestra máquina y encuentren casos de uso útiles".

"Nosotros no somos expertos en esos campos. Nuestra tarea es trabajar junto a clientes como Volkswagen para que experimenten con nuestra máquina cuántica y encuentren casos de uso útiles".

¿Qué hay de la energía consumida? Preguntamos. "Es una buena pregunta y la respuesta es que no consume casi energía. Estamos ante un superconductor que no genera calor. La energía está entorno a los 20 kilowatts. Piensa en la alternativa tradicional", argumentan desde D-Wave.

"Tenemos 20 sistemas en nuestra sede en Vancouver y tres sobre el terreno; uno en la NASA y Mountain View, otro en el Laboratorio Nacional de Los Alamos y un terceros en USC, en posesión de Lockheed Martin. Además por primera vez vamos a tener uno en Europa, llegará a mediados de 2020 y estará en JUNIQ, Alemania".

"Vamos a presentar además nuestra quinta generación a mediados del año que viene. Y cada uno de los qbits va a mejorar su rendimiento 100 veces". La actual versión de D-Wave cuenta con 2.000 qubits y 6.000 conexiones, pero el modelo del año que viene contará con 5.000 qubits y 40.000 conexiones, un aspecto clave para reducir el ruido, los errores y mejorar los cálculos. Es importante señalar que el hardware de D-Wave realiza los cálculos de una forma distinta a como lo hacen las alternativas de Google, Intel o IBM.

Entrevista Martin Y Vern Brownell, CEO de D-Wave (izquierda) y Martin Hofmann, CIO del Grupo Volkswagen (derecha).

"Otras empresas de computación cuántica tienen ejercicios de laboratorio o computadores a muy pequeña escala. Pero ninguno de ellos ofrece acceso en tiempo real, ya sabes, donde puedes enviar una pregunta a la computadora cuántica y obtener una respuesta. Llegarán ahí, pero actualmente somos los únicos que podemos hacerlo".

"Cada dos años hemos venido doblando la potencia; la cantidad de qubits. Pero más importante, este algoritmo de optimización del tráfico mejorará en el futuro porque sí sacará partido de las nuevas generaciones del 'Quantum annealer'. Está limitado por su propia naturaleza clásica, ya que no saca partido de otros fenómenos cuánticos como el efecto túnel".

"Otras empresas de computación cuántica tienen ejercicios de laboratorio o computadores a muy pequeña escala. Nosotros estamos más cerca de obtener ventajas a nivel comercial y con aplicaciones reales gracias al 'Quantum annealing'".

Volkswagen también trabaja con el grupo de computación cuántica de Google, aunque explican que se trata de un proyecto distinto. "Tenemos una asociación sólida de dos años con Google en un modelo de puertas universales. Es un proyecto más experimental, hay otros casos de uso que estamos probando, cada enfoque tiene sus fortalezas diferentes", explican desde Volkswagen.

¿Qué estrategia de computación cuántica se impondrá? Para D-Wave, cada compañía tiene un modelo distinto, pero todos válidos. "No diría que competimos con Google o IBM, simplemente tenemos diferentes tiempo y niveles de madurez. Creo que sus productos y esfuerzos están consolidados, pero creo que nosotros estamos más cerca de obtener ventajas a nivel comercial y con aplicaciones reales. El algoritmo de optimización del tráfico es algo que ahora mismo no puedes hacerlo en ningún otro ordenador cuántico".

Qué espera Volkswagen de la computación cuántica para el futuro

"Menos tráfico significan menos emisiones de CO2. Hablamos mucho de los coches eléctricos, pero debemos entender que el tráfico es uno de los mayores problemas que tenemos a nivel de emisiones", argumenta Hofmann como uno de los motivos por los cuales el fabricante alemán busca invertir en esta tecnología.

El objetivo de las simulaciones es mejorar el tiempo de ruta en alrededor un 20%, pero por el momento no hay datos concretos de la mejora conseguida en esta primera prueba con los nueve autobuses de Lisboa.

Volkswagen

Para el futuro, desde Volkswagen tienen varias ideas. Una de ellas son los coches autónomos. "Al final del día, los coches autónomos están conectados al tráfico constantemente". La idea, nos explica Hofmann, es "escalarlo hasta el infinito". "Estamos limitados por la tecnología, pero el siguiente paso es ampliarlo más allá de nueve buses. Colocamos más de 10 millones de coches al año en la carretera y todos estos vehículos podrían tener en su sistema de navegación una opción de "ruta cuántica". Vamos paso a paso, pero al igual que puedes pedir a Google Maps una dirección, también se podría añadir esta predicción a nuestro sistema con Here Maps y ofrecerlo como una opción adicional a nuestros usuarios".

Aún así, la intención de añadir estos cálculos a su sistema de navegación todavía está algo lejos. "Todavía hay que ver el resultado de esta prueba. Una vez completado este paso, el siguiente sería hacer una implementación comercial. Estamos planeando ofrecer un servicio a las ciudades, probablemente el año que viene, para que puedan aplicarlo a su sistema de transporte público, lo apliquen en sus autobuses o lo ofrezcan a compañías de taxi de la ciudad".

"La verdad sobre la computación cuántica es que es todavía demasiado pronto para saber cuál será su 'killer app'", reconocen. Pero para Vern Brownell, la importancia es otra: "Lo más emocionante acerca de la computación cuántica, en todas sus formas, es que será una herramienta clave para investigadores y consumidores que ayudará a resolver problemas a gran escala. Juntos, ya que no es un reemplazo a la computación clásica. Puede funcionar junto a ella como otro recurso. Lo que vemos en estas pruebas es que hay toda una serie de desafíos que debemos empezar a tratar".

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