Lo que se conoce como ordenador cuántico ha sido objeto de películas y series en decenas de ocasiones a lo largo de la historia. Y es que a pesar de que el concepto original pueda sonar a ciencia ficción, lo cierto es que los ordenadores cuánticos ya son una realidad. Tal y como indica su propio nombre, este tipo de equipos se aprovechan de las propiedades de la mecánica cuántica para resolver ciertos problemas que los ordenadores clásicos no son capaces de resolver, problemas de los que trataremos a continuación.
Ordenadores cuánticos: qué son y qué los diferencia de un PC tradicional
Antes de hablar de las diferencias de un ordenador cuántico con un ordenador convencional conviene conocer la naturaleza del término “cuántico”, que en este caso hace alusión al tipo de información que manejan este tipo de equipos.
Como es de sobra conocido, los equipos convencionales trabajan con la unidad de información más sencilla que conocemos, el bit. Esta unidad recoge exactamente dos estados de la información que se subdividen en 0 y 1. En el caso de los ordenadores cuánticos, la unidad mínima de información se conoce como cubit o qubit.
A diferencia del bit, que solo puede contener una única combinación, un qubit puede contener una combinación simultánea de 0 y 1. De ahí a que se manejen unidades más complejas como los bytes, que son simples agrupaciones de bits. Cabe destacar que el estado natural de un qubit se representa por medio de partículas subatómicas, como pueden ser los fotones o los electrones.
Para tratar con este tipo de información, los ordenadores cuánticos requieren de la utilización de ciertos sistemas y materiales resistentes a este tipo de partículas. Dicho de otra manera, los equipos no cuentan con una estructura convencional, si no que se valen de una serie de circuitos superconductores cuya refrigeración está diseñada para llegar al cero absoluto y aislar así las partículas en un estado que se pueda controlar, al igual que en cualquier otro proceso donde la física cuántica interviene.
Mecánica cuántica y qubits: así trabajan los ordenadores cuánticos con la información
Ya hemos hablado de que los qubits pueden contener diferentes cadenas de 0 y 1 al mismo tiempo. Esto se debe a que los qubits pueden estar representados en diferentes estados. Para ello, los ordenadores cuánticos requieren del uso una serie de sistemas para lograr lo que se conoce como superposición cuántica, que no es ni más ni menos que la posibilidad de representar varios estados al mismo tiempo, es decir, varias cadenas de 0 y 1. Esto se traduce en que la información contenida en este tipo de partículas es mucho mayor que la que podemos encontrarnos en un byte.
Los sistemas actuales están conformados por microondas y láseres de precisión que permiten controlar el estado de los qubits. De hecho, uno de los grandes retos de la ingeniería actual tiene que ver con estos sistemas y su diseño. Crear un sistema que sea capaz de controlar estos estados al mismo tiempo que mantenga los qubits en su estado natural elevará la posibilidad de trabajar con ingentes cantidades de información hasta niveles nunca antes registrados. Y es que precisamente otro de los grandes retos de la ingeniería actual está relacionado con la combinación de diferentes qubits en grupos conocidos como cadenas, las cuales se solapan a través de lo que se conoce como entrelazamiento cuántico, un proceso que explica las conexiones entre diferentes unidades de información cuántica.
Este fenómeno sirve para describir la agrupación a pares de los qubits. De la misma forma que los bits se entrelazan entre sí para dar lugar a un byte, la agrupación de esta unidad sigue las leyes de la mecánica cuántica. El problema es que las leyes de la física actuales no dan explicación a este fenómeno, en tanto que la capacidad de control está sujeta a fallos y errores de cómputo. Y he ahí uno de los grandes problemas de los ordenadores cuánticos: la probabilidad de error a la hora de realizar cálculos matemáticos.
Esto se debe al propio comportamiento de los qubits a la hora de interaccionar entre sí y crear pares con el resto de partículas del entorno que les rodea. Tal y como indicábamos en párrafos anteriores, el control de los estados de los qubits es uno de los grandes retos de la ingería actual, ya que los actuales sistemas tratan de dar solución a lo que se conoce como incoherencia cuántica.
Para lograr esto, los ordenadores cuánticos deben estar aislados en un entorno estéril y que carezca de cambios de temperaturas bruscos, así como humedad, polvo o interacciones de cualquier naturaleza con respecto al entorno del interior del ordenador. De ahí a que la mayoría de equipos estén instalados en cámaras de vacío o refrigeradores industriales. Al fin y al cabo, la generación de cualquier perturbación en el entorno puede dar pie a la pérdida de qubits o a su enturbiamiento, de tal manera que los cálculos que se obtienen pueden contener errores.
Tal es la dificultad de agrupar qubits, que el mayor logro de la ingeniería actual ha agrupado únicamente 128 qubits. A esta diferencia con respecto a los ordenadores convencionales se le conoce como supremacía cuántica, que está relacionada precisamente con la posibilidad de resolver cálculos que los ordenadores convencionales no son capaces de resolver independientemente de la capacidad de cómputo de la que dispongan. En 2019, Google anunció haber alcanzado la supremacía cuántica con sus propios equipos, Un año después, fue China la que anunció haber llegado a este hito a través de un grupo de investigación de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en colaboración con la Universidad Tsinghua de Pekín.
La carrera por desarrollar un ordenador cuántico al uso
A fecha actual, son muy pocas las empresas que han participado en el desarrollo de este tipo de equipos por la inversión y la dificultad de avance que suponen. Las más conocidas en la actualidad son Intel, Google e IBM, las cuales mantienen una carrera por desarrollar el primer ordenador cuántico viable. A modo de ejemplo, el ordenador cuántico de Google, el cual recibe el nombre de Sycamore, cuenta con una capacidad de 54 qubits y es capaz de realizar cálculos que un ordenador convencional tardaría aproximadamente 10.000 años en llevar a cabo en apenas 3 minutos y medio. Ahí es nada.
En cuanto a los desarrollos de Intel, la compañía ha lanzado en 2020 su propio chip, conocido como Horse Ridge. Este chip permite la integración de procesadores cuánticos de hasta 128 qubits, el límite al que se ha conseguido llegar hasta la fecha actual. Por otro lado, empresas como D-Wave, las cuales intervienen en el desarrollo de este tipo de equipos, han propuesto a la comunidad científica sus propios ordenadores en la lucha contra la cura de la COVID-19. IBM también ha creado su propio ordenador cuántico comercial, el cual recibe el nombre de IBM Q System One.
Con una potencia de 20 qubits, el ordenador está instalado en un cubo de vidrio hermético de 2,7 metros de ancho por 2,7 metros de alto que ayuda a mantener la temperatura correcta al mismo tiempo que absorbe las vibraciones que se suceden en el entorno. Cabe reseñar que dicha hazaña fue llevada a cabo hace tan solo un par de años, es decir, en 2019.
Entonces, ¿para qué sirve un ordenador cuántico?
La capacidad de procesado de información de los ordenadores cuánticos abre la puerta a todo un mundo del futuro en diferentes sectores. Al fin y al cabo, el principal limitante de los diferentes desarrollos de la industria en la actualidad tiene que ver con la capacidad de procesamiento de los equipos informáticos convencionales.
El empleo de ordenadores cuánticos en determinadas industrias ayudaría a desarrollar avances en medicina, ciberseguridad, sistemas de conducción autónoma, Inteligencia Artificial, robótica y otros tantos sectores que dependen del procesamiento de información. De hecho, la ingente capacidad de cálculo de este tipo de equipos permitiría acelerar el desarrollo de ciertas tecnologías, como las relacionadas con el grafeno o el desarrollo de baterías de ion-litio con mayor densidad. También se podría simular el comportamiento de ciertas partículas en contacto con otras, dándonos la posibilidad de emular el nacimiento del Universo, acción que ya se ha intentado emular desde el Bosón de Higgs instalado en Suiza y que dio como resultado el descubrimiento de la partícula De Dios.
En cualquier caso, todo apunta a que este tipo de equipos no estarán disponibles de manera masiva hasta dentro de 15 años aproximadamente. Su llegada a los hogares no se prevé al menos hasta dentro de un siglo, ya que tanto el control de las partículas como el tamaño de los equipos no es algo que esté al alcance del mercado de consumo a fecha de publicación a pesar de que empresas como SpinQ Technology ya hayan desarrollado un equipo de sobremesa destinado al público general. Sobra decir que este tipo de propuestas distan mucho de las capacidades de los equipos más potentes de la actualidad, aunque acercan las posibilidades de los ordenadores cuánticos al mercado para atisbar lo que se supone que llegará durante el próximo siglo.
