Así es cómo funciona un ordenador cuántico

El ordenador cuántico aparece con cada vez más frecuencia en la prensa. Las posibilidades en materia de procesamiento de información de estos sistemas dejará los ordenadores actuales a la altura de las calculadoras. Pero ¿qué son exactamente estos ordenadores y qué son capaces de hacer? Hacemos un repaso por las preguntas más frecuentes sobre programación cuántica.

¿Qué es un ordenador cuántico?

Un ordenador cuántico es un dispositivo capaz de aprovechar fenómenos de mecánica cuántica a la hora de realizar sus procesos. Al igual que el ábaco usa esferas de madera y el dispositivo desde el que lees esto utiliza la física eléctrica básica, el ordenador cuántico recurre a procesos cuánticos.

El mundo físico que conocemos tiene leyes mucho más complejas de las que imaginamos. Cuando se baja a escalas subatómicas, aparecen comportamientos «extraños» que parecen contraintuitivos, como partículas que solo están cuando se las mira o información que se halla en dos lugares a la vez.

Esos comportamientos pueden ser usados en provecho del cálculo y la programación, dado que permiten una matemática diferente a la que se emplea en los procesadores convencionales. Esta puede considerarse más avanzada o potente, y llega a ser mucho más rápida que en los superordenadores.

¿Qué puede hacer un ordenador cuántico?

Las dos ventajas principales que tiene un ordenador cuántico frente a otro convencional son la velocidad y la precisión. Esta mejora en la capacidad de procesamiento supone un salto importantísimo a la hora de abordar problemas de cálculo más difíciles. Para poner unos ejemplos, es como pasar del ábaco a la calculadora o de la calculadora a la hoja de datos.

Hoy en día los ordenadores cuánticos se dedican principalmente a la investigación de los mismos. Es un campo un poco endogámico. En otras palabras, la mayoría de ellos son prototipos y siguen en pruebas. Todavía hay mucho que se tiene que aprender sobre esta tecnología.

Apenas hay un puñado de ordenadores cuánticos comerciales en funcionamiento, aunque algunos ya ejecutan programas avanzados para identificar nuevos fármacos o descubrir mejores materiales. Incluso estos tienen el foco en la investigación biomédica o en el análisis estelar, y pasará algún tiempo para que esta tecnología sea de uso común.

¿Cómo funciona el qubit o cúbit?

representacion grafica conceptual de un qubit

El qubit o cúbit es la unidad más pequeña de información usada en los ordenadores cuánticos, del mismo modo que el bit es la unidad de información más pequeña usada en ordenadores convencionales. Algunas diferencias relevantes entre el bit y el qubit son:

  • mientras que el bit almacena o guarda valores discretos (0 o 1), el qubit es capaz de almacenar valores continuos;
  • el qubit permite operaciones matemáticas diferentes a las que tienen los bits, lo que implica muchas más posibilidades.

Definir el qubit es extraordinariamente complicado porque solo puede describirse mediante el lenguaje de la mecánica cuántica. Es por ello que generalmente se usan ejemplos, aproximaciones o esquemas que simplifiquen su funcionamiento, pero que no llegan a explicarlo a fondo.

Dicho esto, se puede hablar de algunas de sus características más interesantes, como la mencionada continuidad de los valores que almacena, o la posibilidad de almacenar en paralelo más de un valor. A esto se lo conoce como «paralelismo cuántico», y permite realizar operaciones matemáticas con un gran número de combinaciones en una fracción muy pequeña de tiempo.

Además, varios qubits pueden encontrarse en un estado conocido como «entrelazamiento cuántico». Esto favorece ciertas operaciones matemáticas, como que si el resultado de un cálculo del primer qubit da 0, el del segundo deba dar 0 también al estar entrelazados sin importar la distancia entre ellos.

Por último, una particularidad de los qubits es que sus puertas lógicas (sus operadores matemáticos) son todos reversibles. Esto quiere decir que toda operación lógica tiene como resultado un número de salidas igual al de sus entradas. De ahí que sean representados como matrices en lugar de operadores convencionales. El juego matemático que da esto es muchos órdenes de magnitud superior al de la tecnología actual.

¿Por qué se habla tanto de la mecánica cuántica y los ordenadores?

Principalmente, debido a sus posibilidades futuras y las innovaciones que año a año se van confirmando. La tecnología de computación cuántica dista mucho de haber tocado su suelo —bedrock en lenguaje técnico— como quizá sí ha ocurrido en otras como puede ser el hilo de cobre para transmitir información.

Para ubicar esta tecnología siguiendo esta analogía, es como si acabásemos de descubrir la calcopirita (CuFeS2), un mineral del que se extrae el cobre, y llevásemos unas décadas haciendo pruebas con su conductividad eléctrica. Como apunte, este mineral se descubrió en 1725, pero hasta 1931 no tuvo ninguna aplicación. De ahí la expectación y el hype.

Sí está ocurriendo, debido a la velocidad a la que avanza la ciencia y la tecnología cuando hay recursos, que algunos ordenadores cuánticos ya están siendo usados para resolver problemas matemáticos. Y, según los resultados que se está obteniendo de ellos es posible imaginar todo lo que podrán ofrecer.

Una de las posibles aplicaciones prácticas de la mecánica cuántica en ordenadores sería la de eludir la Ley de Moore. Esta ley marca un tope al almacenamiento que podemos obtener de una oblea de silicio. La computación cuántica es una puerta lateral que podemos usar para evitar ese colapso.

Así será la supremacía cuántica

asi funciona un ordenador cuantico

Uno de los hitos más interesantes de la computación cuántica se llevó a cabo en el  Google’s Quantum Artificial Intelligence Lab en 2018. Allí se realizó el cálculo matemático más avanzado viable con uno de estos ordenadores, cálculo que a su vez lograron emular con un ordenador convencional.

Unas semanas después, volvieron a repetir el experimento, esta vez con un chip cuántico mejorado. En esta ocasión, el ordenador convencional también pudo alcanzar al cuántico, aunque hizo falta un ordenador convencional de una potencia considerable.

La tercera vez que repitieron el experimento con una tercera versión del chip cuántico hizo falta la potencia de computación de una red de procesadores durante días para lograr un resultado equivalente. ¿A dónde lleva este camino?

Este crecimiento de la potencia de los ordenadores cuánticos, llamado «doblemente exponencial», hace pensar a los científicos que en algún momento se alcanzará la llamada «supremacía cuántica». En ese momento se llegará a un poder de procesamiento cuántico que los ordenadores convencionales no serán capaces de emular.

¿Qué condiciones necesita un ordenador cuántico?

Ahora bien, los ordenadores cuánticos son considerablemente más complicados de construir que los convencionales. Empezando por el uso de materiales poco ortodoxos, como es el caso de los superconductores eléctricos, unas condiciones de temperatura próximas al cero absoluto (inferiores a –273 ºC) o condiciones de laboratorio con jaulas que impidan el paso de perturbaciones electromagnéticas. Todo esto es muy complejo.

Es evidente que estas condiciones no están disponibles de forma generalizada. Actualmente, construir uno de estos ordenadores cuánticos es notablemente costoso, aunque podría no serlo en el futuro. Después de todo, hubo un momento en que diseñar y construir un ordenador convencional último modelo fue considerado una auténtica locura o un gasto inasumible.

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Imágenes | UCL Mathematical & Physical Sciences, Ichijiku

Alma Landri