Una revolución en la informática está a la vuelta de la esquina, pero ¿cómo funcionan las computadoras cuánticas y qué pueden ayudarnos a lograr?

En marzo de este año, Google presentó un chip cuántico de 72 qubits llamado Bristlecone, el más poderoso de su tipo construido hasta la fecha, y que la compañía cree que puede usarse como modelo para computadoras cuánticas a gran escala en el futuro.

Lejos de estar aislado en el ámbito de la ciencia ficción, la computación cuántica está siendo explorada activamente por un puñado de gigantes tecnológicos, incluidos IBM y D-Wave, y los avances se están realizando a una escala que la industria nunca antes había visto.

Aunque es un campo que aún está en su estado inicial, Bristlecone representa el último hito en un viaje hacia la construcción de máquinas que podrían albergar miles, o incluso millones, de qubits y procesar los problemas matemáticos más desafiantes en segundos – donde un ordenador ‘clásico’ puede haber tardado vidas.

Pero, ¿cómo funcionan estas máquinas enigmáticas, a menudo una fuente de mucha confusión, y cuáles son las implicaciones para el futuro de la tecnología?

1. ¿Qué diferencia a la computación cuántica de la informática “clásica”?

La computación cuántica tiene una historia enormemente rica anclada en la física teórica; más específicamente, mecánica cuántica. Y después de décadas de investigación y desarrollo por una sucesión de físicos e ingenieros, ahora tenemos un puñado de máquinas relativamente pequeñas, pero prometedoras, que sirven como modelos de lo que las computadoras cuánticas pueden llegar a ser algún día.

Las computadoras tal como las conocemos, desde las voluminosas computadoras de escritorio hasta el iPhone X, funcionan todas de la misma manera, independientemente de su potencia o tamaño. Realizan operaciones almacenando información como bits convencionales, tomando la forma de 0 o 1.

Pero debido a que los cálculos se realizan linealmente, con cada posibilidad explorada secuencialmente, estas computadoras se toman su tiempo para resolver problemas matemáticos complejos. Las computadoras cuánticas, por otro lado, pueden realizar muchos cálculos simultáneamente y producir resultados a un ritmo mucho más rápido.

Principios Científicos

Se distinguen de las computadoras clásicas en el sentido de que se basan en un conjunto completamente diferente de principios científicos; es decir, el comportamiento extraño y contrario a la intuición del mundo subatómico.

¿Cómo puede la materia subatómica, como los fotones por ejemplo, comportarse como partículas, y como ondas – existiendo en más de un estado simultáneamente? Agrega eso a la idea desconcertante de que las propiedades físicas de las partículas subatómicas no existen a menos que se observen directamente. El enredo cuántico, mientras tanto, explica cómo las partículas pueden comunicarse entre sí sin inhibiciones, independientemente de lo lejos que estén.

Estos principios son difíciles de entender porque son fundamentalmente confusos. Incluso el físico ganador del Premio Nobel Richard Feynman comentó: “Creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica“.

Sin embargo, independientemente de cuán confusos puedan sentirse, los investigadores se han esforzado por crear una manifestación física de estas propiedades en máquinas que llamamos computadoras cuánticas.

2. ¿Cómo funcionan las computadoras cuánticas?

Mientras que las computadoras clásicas funcionan codificando la información en bits, los ordenadores cuánticos se ejecutan utilizando correctamente nombrados quantum bits, o qubits. Pero hay una gran diferencia entre los dos.

Qubits y las computadoras cuánticas

Qubits y las computadoras cuánticas

Un bit puede codificarse como 1 o 0, pero los qubits pueden tomar la forma de 1, 0, o lo que se denomina ‘superposición cuántica de 1 y 0‘; el qubit existe en ambos estados simultáneamente.

Esto no quiere decir que un qubit sea 1 y 0 al mismo tiempo, pero tampoco está mal. Más bien, cuando se lee, la superposición colapsa y se te da la probabilidad de descubrir 1 o 0. Pero, ¿cómo funciona esto en la práctica?

Bits vs Qubits

Dos bits, cuando se unen, pueden existir como 00, 01, 10 o 11; y solo uno de estos estados en un momento dado. Sin embargo, una computadora cuántica con dos qubits puede ser de los cuatro estados: 00, 01, 10 y 11 simultáneamente.

Cuando múltiples qubits trabajan en conjunto para procesar cálculos, la combinación de estados que pueden existir a la vez aumenta exponencialmente. Una máquina con tres qubits, por ejemplo, puede existir en ocho estados, cuatro en 16 estados, y una máquina de 32 qubits de potencia puede existir en una superposición cuántica de casi 4.300 millones de estados simultáneos.

La Dra. Talia Gershon de IBM ilustra las capacidades mejoradas de una computadora cuántica comparándola con los invitados sentados alrededor de una mesa: ¿cuántas posibilidades existen para sentar a diez personas, y cuál es la mejor manera de organizarlas?

Mientras que una computadora clásica intentará resolver este problema explorando cada combinación posible en orden, luego comparándolas, una computadora cuántica puede modelar los 3.6 millones de combinaciones al mismo tiempo y encontrar la mejor respuesta casi instantáneamente. Es por esta razón que la computación cuántica no solo significa construir una computadora más rápida, sino que funciona de una manera fundamentalmente diferente a una computadora clásica.

3. ¿Cómo se ve una computadora cuántica físicamente y cómo se construye?

Hay una extraña semejanza entre los fotogramas en tono sepia de los primeros ordenadores clásicos y los primeros ordenadores cuánticos que los ingenieros han reunido hoy en día. Pero bajo el disfraz las diferencias tecnológicas son asombrosas.

Computadora cuántica física

Computadora cuántica física

Un solo qubit en sí mismo comprende lo que los físicos llaman un sistema mecánico-cuántico de dos niveles; una sola partícula subatómica que puede pasar de un estado fundamental a un estado excitado cuando se aplica energía.

Hay varios candidatos, incluidos fotones, un núcleo o incluso un electrón, y cada uno tendrá un equivalente de 1 y 0. El núcleo, por ejemplo, representa ‘1 o 0’ a través de su dirección magnética; girar hacia arriba o hacia abajo.

Experimento

En un experimento, los científicos utilizaron un solo átomo de fósforo cuidadosamente encapsulado dentro de un chip de silicio, y se instalaron junto a un pequeño transistor, mientras que hace dos años MIT experimentó con un qubit que dependía de tomar un electrón de este átomo y suspenderlo en el espacio libre usando un campo electromagnético.

El electrón, para usar este ejemplo, primero se suspende en un campo magnético fuerte, usando un imán superconductor o un gran solenoide, y luego se enfría hasta casi cero absoluto. Dado que a temperatura ambiente cualquier partícula utilizada como qubit estaría volteando salvajemente entre spin-up y spin-down, o 1 y 0, se necesitan temperaturas de 0.0015 Kelvin (algo por encima de -273 grados Celsius) para fijarla en un spin posición arriba o abajo.

Solo ahora, en este contexto, se puede aplicar energía al electrón, entregado a través de microondas que resuenan con la frecuencia del campo magnético, para registrar información y cambiarla de spin-down a spin-up, o viceversa.

La superposición cuántica se logra al golpear el qubit con un pulso de energía y luego detenerse, por lo que el electrón se encuentra en algún punto entre el spin-down y el spin-up. La superposición significa que los qubits pueden existir en muchos estados simultáneos para procesar información y realizar cálculos, con lecturas tomadas del transistor.

Por cierto, la razón por la cual las computadoras cuánticas son tan grandes, a pesar de que en su mayoría manejan pequeñas partículas subatómicas, se debe a la maquinaria requerida para alcanzar casi el cero absoluto: el refrigerador de dilución. Es por esta razón, que la probabilidad de construir una computadora cuántica del tamaño de un teléfono inteligente es lo más limitado posible.

4. ¿Qué puede ayudarnos a lograr la computación cuántica?

Aunque las computadoras cuánticas probablemente nunca se ajusten a la tecnología de consumo y comercial que utilizamos a diario, como los smartphones o los dispositivos 2 en 1, esto no significa que nadie como nosotros no pueda acceder e incluso usarlos.

A pesar de participar aparentemente en uno de los ejercicios de más alto nivel, las compañías que compiten entre sí en este campo también se esfuerzan considerablemente para hacer que esta tecnología sea accesible al integrar tu trabajo con la tecnología de la nube.

La Q Experience de IBM, por ejemplo, permite que cualquiera, desde aburridos empleados de oficina que buscan distraer a los investigadores cuánticos, juegue con una computadora cuántica real alojada en un laboratorio de investigación de IBM. Usando su plataforma basada en la nube, los usuarios pueden desarrollar sus propios algoritmos y ejecutar experimentos.

Pero, ¿cuáles son algunas de las formas más prácticas en que podemos usar computadoras cuánticas si se vuelven un poco más comunes en los próximos años? Hay un puñado de aplicaciones, desde lo que se denomina optimización, a simulación biomédica.

Debido a que las computadoras cuánticas están esencialmente preparadas para procesar problemas matemáticos extremadamente complejos, la optimización es quizás la interacción más común que los consumidores y el usuario comercial promedio tendrán con ellos, a través del modelo de acceso remoto actualmente empleado por IBM, o algo similar.

Por ejemplo, aplicaciones que pueden registrar cómo se comportan los materiales, así como en el entrenamiento de sistemas de aprendizaje de máquinas de manera mucho más efectiva de lo que podemos hacer ahora mismo.

Independientemente de los problemas que puedan ayudarnos a resolver, los investigadores concuerdan en que las computadoras cuánticas no serán muy efectivas hasta que estas máquinas puedan albergar miles y millones de qubits, al tiempo que mantienen bajas tasas de error. IBM incluso ha acuñado el término “volumen cuántico” como una forma de juzgar qué tan efectivo puede ser un chip cuántico, teniendo en cuenta una gama de factores más allá del número de qubits.

A pesar de que el chip Bristlecone tiene solo un tamaño de 72 qubits, es un paso importante desde donde éramos hace diez años, y se espera que el progreso en este campo se acelere.

Lo que hace que el chip de Google sea tan prometedor es su baja tasa de errores. Esto es crucial para las perspectivas de ampliar las computadoras cuánticas, lo que no es de extrañar, entonces, que la compañía lo vea como un modelo para las máquinas escalables.

Con los esfuerzos en toda la industria aumentando, las perspectivas para construir computadoras cuánticas mejores y más eficientes en un futuro no muy distante siguen siendo muy prometedoras. ¡Por favor, comparte este artículo! :’)

¿Qué es la computación cuántica?
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