La computación cuántica es una tecnología de rápida aparición que aprovecha las leyes de la mecánica cuántica para resolver problemas que resultan demasiado complejos para los ordenadores clásicos. Los ordenadores cuánticos son muy diferentes de los ordenadores clásicos que existen desde hace más de medio siglo. En seguida, presentaremos esta nueva tecnología, sus potenciales usos y sus principales retos.
¿Qué es la computación cuántica?
Para comprender que es la computación cuántica, es conveniente conocer que es la computación clásica o convencional y cuales son sus principales diferencias. Una computadora clásica consiste en una serie de bits (son la unidad mínima de información en una computadora clásica) que pueden encontrarse en alguno de sus dos estados posibles que se le denotan como 0 y 1. De esta forma, el estado de una computadora de n bits es una cadena de n unos y ceros. Mientras tanto, la unidad mínima de información en una computadora cuántica son los qubits, los cuales, a grandes rasgos, son una combinación del estado 0 y el estado 1 en superposición coherente que se rigen por las leyes de la Mecánica Cuántica: puede ser 0, o ser 1, o incluso ser 0 y 1 a la vez. Esta es una gran diferencia con los ordenadores clásicos, pues esto hace posible que se realicen varias operaciones de manera simultánea.
Con los bits convencionales un estado de 3 bits puede tomar solo uno de sus 8 valores posibles. Mientras tanto, con qubits, un estado de 3 qubits puede tomar 8 valores distintos a la vez, es una combinación de todas las posibles combinaciones de 3 unos y ceros.
Para hacernos una idea del potencial que tiene los computadores cuánticos, uno de 30 qubits sería el equivalente a un procesador de 10 teraflops (un procesador de 1 teraflop es capaz de realizar 1012 operaciones de coma flotante por segundo), cuando las computadoras actuales trabajan en el orden de los gigaflops (109 operaciones de coma flotante por segundo)
¿Para que necesitamos computadoras cuánticas?
Normalmente cuando un científico o un ingeniero se enfrenta a un problema complicado, recurre a una supercomputadora para intentar resolver el problema. Las supercomputadoras son ordenadores clásicos de gran tamaño compuestos de muchos procesadores por lo que pueden realizar muchos cálculos rápidamente. Pero aún así, las supercomputadoras no son capaces de hacer frente a todos los problemas. Existen problemas de gran complejidad con los que una supercomputadora resulta insuficiente. Ejemplos de estos son el modelar moléculas orgánicas complejas donde el gran número de interacciones entre las partículas hace difícil realizar con eficiencia los cálculos. Se espera que las computadoras cuánticas puedan tratar con estos problemas complejos, se puede decir que las computadoras cuánticas están hechas para tratar con la complejidad. Los algoritmos cuánticos proporcionan un nuevo enfoque para estos problemas. Por ejemplo, en el caso del plegamiento de proteínas, un problema difícil de abordar para una computadora clásica, existen algoritmos cuánticos que pueden encontrar los patrones de plegado de forma muy eficiente. Entre los usos de las computadoras cuánticas que se están explorando están los siguientes:
- El diseño de baterías más eficientes para los autos eléctricos.
- Optimización de las rutas de transporte para mejorar la eficiencia en el uso de combustible.
- Ayudar a los científicos del CERN con los datos obtenidos en los experimentos.
- Simulación de moléculas orgánicas, para la creación de fármacos.
- Diseño de polímeros.
- Machine Learning, inteligencia artificial y Big Data.
¿Cómo funcionan los ordenadores cuánticos?
Las computadoras cuánticas actuales son dispositivos muy pequeños. Por ejemplo, un procesador cuántico de IBM es una oblea no mayor al procesador de una laptop. Sin embargo, el equipo necesario para hacer funcionar el procesador es del tamaño de un auto, esto es así pues la computadora cuántica debe enfriarse a temperaturas extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto. Esto se logra mediante el uso de superfluidos super-enfriados que permiten obtener superconductores. Un material se vuelve superconductor cuando, a temperaturas ultra-bajas, los electrones se mueven a través de él sin experimentar resistencia.
Una de las principales características de los qubits, y es la diferencia medular con respecto a los bits clásicos, es que pueden tener la información en superposición, esto es que se encuentra en una combinación de todos los posibles estados del qubit. Otra fenómeno meramente cuántico de los qubits es el entrelazamiento. Cuando dos qubits están entrelazados, sus estados dejan de ser independientes uno del otro de manera que un cambio en el estado de uno de los qubits impactará al otro. En la computación cuántica se saca provecho de todas estas propiedades para resolver problemas complejos. (Si deseas conocer más sobre los principios cuánticos que están detrás del funcionamiento de las computadoras cuánticas, te invitamos a leer nuestro artículo: La Mecánica Cuántica a partir de un qubit)
Mitos y realidades de la computación cuántica
- La computación cuántica no existe (MITO): La computación cuántica es completamente real y está ocurriendo en estos momentos, muchas personas y empresas están trabajando en el desarrollo de está incipiente tecnología. La empresa IBM tienen dispositivos cuánticos a los cuales cualquier persona puede acceder a través de la nube.
- La computación cuántica es más poderosa que la computación clásica (REALIDAD): Bueno, son mejores para ciertas cosas. Las computadoras cuánticas son muy buenas cuando se trata de realizar complicados cálculos matemáticos, sin embargo, si lo que te interesa es usar un hoja de cálculo, una computadora regular sería una mejor opción.
- La computación cuántica destruye la encriptación en internet (REALIDAD, al menos teóricamente): Existen algoritmos cuánticos capaces de descifrar los claves usadas en la seguridad en internet pero hasta ahora no existen computadoras cuánticas capaces de ejecutar esos algoritmos. En caso de que llegue el día en que existan computadoras capaces de hacerlo, ya existen algoritmos cuánticos para encriptación.
- Nadie está usando computadoras cuánticas (MITO): Existen ya muchas personas usando computadoras cuánticas: la industria, investigadores, laboratorios, entre otros más.
- Las computadoras cuánticas reemplazarán a las computadoras clásicas (MITO): No, las computadoras cuánticas y las clásicas se complementas mutuamente. Las computadoras cuánticas son buenas para algunas tareas pero las computadoras clásicas seguirán usándose para las tareas que desempeñan mejor.
- Las computadoras cuánticos pueden procesar grandes cantidades de datos (MITO): No, para eso sirven las computadoras clásicos. Las computadoras cuánticos funcionan de una manera fundamentalmente diferente y utilizan cosas como la superposición, la interferencia y el entrelazamiento para procesar los datos.
- Las computadoras cuánticas pueden simular moléculas (REALIDAD): Si, las computadoras cuánticas pueden modelar de un manera mucho más precisa que los ordenadores clásicos, los cuales fallan tratando de simular las moléculas más sencillas. Debido a esta capacidad de las computadoras cuánticas, se podrán descubrir nuevos fármacos y materiales.
- Necesito saber física cuántica para usar una computadora cuántica (MITO): No, se puede aprender a programar en una computadora cuántica de la misma manera que se puede aprender a programar en una computadora clásica sin atender a la física que hay detrás del funcionamiento del ordenador clásico.
- Necesito aprender una nuevo lenguaje de programación para hacer computación cuántica (MITO): Se pueden utilizar ciertos lenguajes de programación usados en computadoras cuánticas para programar un ordenador cuántico. Existen también módulos que tienen precargados algoritmos para algunos cálculos particulares.
Referencias
Si desea conocer más sobre como funciona la computación cuántica o sobre cómo puede empezar a programar en una de ellas, puede revisar los siguientes enlaces
https://www.ibm.com/quantum-computing
Moret, V. Principios fundamentales de computación cuántica. (2013) Universidad de la Coruña, Departamento de Computación. Facultad de Informática