Que son los ordenadores cuanticos y en que cambiaran nuestro futuro

La computación cuántica es mucho más que un nombre chulo. No es casualidad que gigantes tecnológicos como IBM, Google o Microsoft estén apostando fuerte por ser los primeros en lanzar un ordenador cuántico comercial y universal. Sobre el papel, los ordenadores cuánticos tendrán capacidades infinitamente mayores que los ordenadores actuales. Las computadoras cuánticas cambiarán la manera en que hacemos casi cualquier cosa. En la práctica, son armatostes carísimos de construir y mantener, y todavía están dando sus primeros balbuceos digitales. Pero ¿qué son los ordenadores cuánticos?

Los límites de la computación ordinaria

La unidad básica de información que se maneja en la computación clásica es el bit. El bit puede representar dos valores cualesquiera, como “verdadero” o “falso”, “abierto” o “cerrado”, etcétera. Cada valor se asocia a uno de los dos estados que puede adoptar un transistor: encendido (1) o apagado (0). La combinación de bits permite realizar operaciones lógicas (AND, NOT, OR) y representar más valores, del estilo “si ocurre esto, entonces significa esto otro”. Con la unión de varios bits podemos representar números, operaciones y palabras. A partir de este sistema binario, se levanta todo el universo digital que conocemos.

Cuanto más pequeños se hagan los transistores, mayor será su número dentro del chip. Se pueden hacer más operaciones y la potencia del procesador aumenta. El problema viene cuando el tamaño de los transistores llega a la escala del nanómetro (la milmillonésima parte de un metro), puesto que nos acercamos al rango molecular y atómico. En términos asequibles, existe el riesgo de que los electrones no permanezcan en los canales por los que deben circular. Se llama efecto túnel, y supone el límite de la computación tradicional. Aquí llega la computación cuántica para solucionar el problema.

Computación cuántica: cero, uno, y ambos a la vez

Un ordenador cuántico no trabaja con transistores, sino con partículas cuánticas. Por ejemplo, un átomo de carbono dentro de una molécula de glicina. Las partículas giran en un sentido u otro (spin), lo que se traduce en los valores 0 y 1. Sin embargo, la mecánica cuántica describe que las partículas pueden adoptar los valores 0 y 1 cuando las observamos, y ambos valores superpuestos cuando no las observamos. Por tanto, la unidad mínima de información ya no es el bit, sino el bit cuántico, qubit o cúbit. Simplificándolo mucho, es como lanzar una moneda. Cuando llegue al suelo, saldrá cara o cruz, pero mientras está girando en el aire es cara y cruz a la vez. ¿Te suena el experimento del gato de Schrödinger? Se basa en el mismo concepto físico: la superposición de estados. Esto implica una cantidad significativamente mayor de cálculos posibles en el mismo tiempo.

Principio de incertidumbre Heisenberg computacion cuantica

La particularidad de los cúbits para “ser” dos cosas permite plantear múltiples soluciones de un cálculo a la vez. No siguen la lógica binaria de los bits, es decir, “si ocurre una cosa, haz esto; si ocurre otra cosa, haz esto otro”. Los qubits hacen ambas cosas al mismo tiempo, y reproducen el resultado óptimo cuando se les observa de la forma adecuada.

Construir un ordenador cuántico es difícil y costoso

Vale, la computación cuántica soluciona el problema del efecto túnel en la computación ordinaria. Sin embargo, introduce otro problema: la coherencia cuántica. Las partículas atómicas y subatómicas cambian su estado como si no hubiera un mañana, por lo que trabajar con cúbits de manera controlada es muy difícil. Además, una computadora cuántica precisa un sistema que pueda iniciarse. Es decir, que pueda llegar a un estado de partida conocido y estable. Y tras realizar el cálculo correspondiente, tenemos que poder leer el resultado. Esto explica la necesidad de coherencia cuántica: el sistema debe mantener su fase cuántica durante un tiempo determinado.

Ya se han construido ordenadores cuánticos. El dolor de cabeza viene con las condiciones de trabajo. Las partículas cuyo spin medimos pueden interactuar con otras partículas y con las fuerzas moleculares del entorno. Esta interferencia se conoce como ruido, el principal problema de la computación cuántica. Genera qubits erróneos de vez en cuando, y los cálculos que superan un cierto tiempo dejan de ser válidos. Para que las moléculas estén lo más “quietas” posible, el ordenador necesita trabajar en vacío y a temperaturas cercanas al cero absoluto. Vamos, algo que todavía no podemos reproducir en nuestras casas. Por otro lado, hemos llegado tan lejos en la computación binaria gracias a décadas de trabajo. Esta experiencia necesita reajuste y reaprendizaje, para adaptarse al funcionamiento del entorno cuántico.

Computadora cuantica ordenador cuantico IBM

El ordenador cuántico para empresas IBM Q. (Fuente – Lars Plougmann – Flickr)

Pero los progresos en este campo son extraordinarios. El año pasado, IBM ya disponía de un ordenador cuántico comercial de 20 cúbits, y presentó un prototipo de 50 qubits capaz de alcanzar los 90 microsegundos de coherencia. El objetivo es reproducir un sistema universal con coherencia ilimitada y capaz de corregir errores. Y, en tecnología, lo que hoy parece imposible puede estar al alcance de la mano en una simple década.

Aplicaciones de la computación cuántica

A pesar de los hitos que aún quedan por alcanzar, el horizonte es la supremacía cuántica. Suena muy ario y muy de personas con bigotillo Adolf-style, pero la supremacía cuántica es el punto en el que un ordenador cuántico puede procesar información y realizar cálculos imposibles para un ordenador binario. Aún parece una utopía, pero los pasos son de gigante. Los ordenadores cuánticos ya se están utilizando en la investigación actual, gracias a los progresos de empresas como IBM o D-Wave Systems. Seguridad en la nube, criptografía, cálculos financieros… Estos usos permiten predecir el modo en que la computación cuántica cambiará nuestro futuro.

Seguridad

Las técnicas actuales de cifrado se volverán obsoletas. Un ordenador cuántico de 100 qubits podría descifrar el código más robusto que existe actualmente en unas horas. Si bien los sistemas informáticos domésticos e institucionales se volverán más vulnerables, también se está trabajando en sistemas de cifrado cuántico, como la distribución cuántica de claves.

Inteligencia Artificial

La potencia de cálculo de los ordenadores cuánticos permitirá analizar grandes cantidades de datos, lo que mejorará el rendimiento de las inteligencias artificiales. Su capacidad para aprender y autocorregirse se multiplicará. Esto ayudará a la expansión industrial, y hará la tecnología más intuitiva.

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Procesador cuántico de 3 cúbits, fabricado en la Universidad de Chalmers en 2017.

Desarrollo de fármacos

La industria farmacéutica y química necesita evaluar combinaciones de interacciones moleculares para determinar si un medicamento es efectivo y seguro. Con un ordenador cuántico, el proceso de viabilidad de un fármaco se hará mucho más corto. Además, se podría secuenciar y analizar la carga genética de una persona, lo que permitiría tratamientos personalizados.

Química computacional

La ciencia de los materiales estudia las interacciones químicas para sintetizar nuevos compuestos. La dificultad de los cálculos se reduciría, puesto que la computación cuántica puede simular multitud de reacciones y procesos, y predecir los productos que se obtendrían. Mejores catalizadores, síntesis de superconductores a temperatura ambiente, baterías más potentes para nuestros dispositivos…

Diseño de software y hardware

Verificar el funcionamiento de programas con millones de líneas de código, o chips con miles de millones de transistores, requiere comprobar billones de combinaciones de estados diferentes. No es algo que se haga en una tarde con un ordenador clásico, pero sí con un ordenador cuántico.

Estos son solo algunos de los avances que traerá la computación cuántica. Aún no se sabe cuándo podremos trabajar con chips cuánticos en casa, pero notaremos su influencia en nuestro día a día aunque no entendamos por qué. Como dijo el físico ganador del Nobel Richard Feynman, “si usted cree que entiende la mecánica cuántica, entonces no entiende la mecánica cuántica”. De un modo u otro, un ordenador cuántico habrá cambiado de forma drástica cómo se hacen las cosas.

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