En los últimos años, muchas de las grandes empresas de tecnología como IBM, Microsoft, Intel o Google, llevan trabajando en la creación de una nueva computación revolucionaria desde hace mucho tiempo, en algo que suena muy bien y a la vez muy complejo: la computación cuántica. El principal problema es que es complicado saber qué es exactamente y para qué puede ser útil, lo único que sabemos es que es fundamentalmente distinta a la computación a la que estamos acostumbrados, y en esta entrada vamos a tratar de arrojar algo de luz sobre el asunto. (Guillermo, 2018)
¿Qué es la computación cuántica?
La computación cuántica es un ejemplo de computación muy distinto al de la computación clásica. Se basa en el uso de qubits en lugar de bits, y da lugar a nuevas puertas lógicas (un circuito cuántico básico que opera sobre un pequeño número de qubits) que hacen posibles nuevos algoritmos. Una misma tarea puede tener diferente complejidad en computación clásica y en computación cuántica, lo que ha dado lugar a una gran expectación, ya que algunos problemas intratables pasan a ser tratables. (Anónimo, 2020)
¿Y qué es una computadora cuántica? Pues bien, la física cuántica es aquella que describe el comportamiento de los átomos y de las partículas fundamentales, como los electrones y los fotones. La computadora cuántica opera controlando el comportamiento de estas partículas, pero de una manera completamente diferente a las computadoras normales. Así que una computadora cuántica no es solo una versión más poderosa de nuestras computadoras actuales. Al igual que una bombilla no es una vela más poderosa, que no se puede fabricar una bombilla fabricando mejores velas. Asimismo, una computadora cuántica es una nueva clase de dispositivo, basado en los principios de la física cuántica. Y así como la bombilla transformó la sociedad, las computadoras cuánticas tienen el potencial de impactar muchos aspectos de nuestras vidas, incluyendo nuestra seguridad, la atención médica e incluso el Internet. (Shohini, 2018)
¿Qué es un qubit?
Es un sistema cuántico con dos estados propios y que puede ser manipulado arbitrariamente. Solo puede ser descrito correctamente mediante la mecánica cuántica, y solamente tiene dos estados bien distinguibles mediante medidas físicas. También se entiende como la información que contiene ese sistema cuántico de dos estados posibles. En esta acepción, el qubit es la unidad mínima. (Anónimo, 2019)
Pensemos en cómo funciona un ordenador clásico. La unidad básica de información es el bit, que puede tener dos estados posibles (1 o 0) y con los que podemos realizar varias operaciones lógicas (AND, NOT, OR). Juntando n bits podemos representar números y operar sobre ellos, pero con limitaciones: sólo podemos representar hasta 2^n estados distintos, y si queremos cambiar x bits tenemos que realizar al menos x operaciones sobre ellos: no hay forma de cambiarlos mágicamente sin tocarlos.
La informática cuántica, por otro lado, utiliza los qubits, que son partículas subatómicas como los electrones y los protones. Generarlos y manipularlos representa un desafío científico y de ingeniería. Pues bien, la superposición (la capacidad de estar simultáneamente en varios estados) y el entrelazamiento nos permiten reducir esas limitaciones: con la superposición podemos almacenar muchos más que sólo 2^n estados con n bits cuánticos (qubits), y el entrelazamiento mantiene fijas ciertas relaciones entre qubits de tal forma que las operaciones en un qubit afectan forzosamente al resto. En cualquiera de los casos, el propósito es aislarlos en un estado cuántico controlado. (Stephan, 2019)
¿Cuáles son las principales diferencias entre la computación cuántica y la computación clásica?
Hace unos meses, la empresa IBM presentó el Q System, el primer ordenador cuántico. La compañía explicó, para los recién llegados a este mundo de la computación, que se trataba de un computador que podría resolver, de forma mucho más rápida que los ordenadores convencionales, una serie de acciones mucho más complejas. (Communications, 2019)
Juan José García Ripoll, investigador del Instituto de Física Fundamental del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), nos da algunas pistas. “En la computación clásica sabemos cómo crear soluciones a problemas gracias al lenguaje de computación (‘AND, OR NOT’) con el que se escribe programación. Con un computador cuántico se pueden hacer operaciones que no están disponibles en la computación de ‘bits’. En un ordenador cuántico se superponen todos los números y posibilidades que se pueden crear con N qubits (si son tres quibits serían ocho posibilidades de manera simultánea). Con 1000 quibits las posibilidades exponenciales son muy superiores a las que tenemos con un ordenador clásico”.
En la actualidad no existe un lenguaje computacional cuántico, a diferencia de la informática clásica. Los investigadores trabajan en desarrollar algoritmos que puedan dar soluciones concretas a problemas planteados. “Son formas diferentes de trabajar. Un computador cuántico no sirve para hacer tareas cotidianas” expone García Ripoll. “No cuentan con memoria o procesador. Únicamente tenemos un grupo de quibits con los que escribimos la información y operamos sobre ellos. No hay una arquitectura tan complicada como la de un ordenador convencional. Ahora mismo son sistemas muy primitivos asimilables a una calculadora de principios del siglo pasado pero su capacidad de cálculo para determinados problemas es mucho más alta que un ordenador convencional. Existe esa dicotomía entre lo que parece algo muy simple pero hace una cosa muy potente”, matiza García Ripoll.
En cuanto al uso que podemos darle, en este campo, con la computación clásica podemos predecir, gracias a los algoritmos matemáticos, el devenir del riesgo de una cartera o estudiar la evolución de la bolsa durante un periodo de tiempo. Pero con la computación cuántica se abre un abanico de opciones por descubrir. (Communications, 2019)
¿Qué tipos de problemas serían adecuados para resolverse mediante computación cuántica?
¿Qué podemos hacer con las computadoras cuánticas? ¿Qué se ha conseguido hasta el momento con la computación cuántica? ¿Cuáles son las aplicaciones más probables de una computadora cuántica? Son preguntas de lo más frecuentes acerca de este tema, de las más habituales, y varias de sus múltiples respuestas son:
Hasta ahora, la computación cuántica es un campo que no se ha aplicado mucho en el mundo real. Aun así, el campo tiene una evolución prometedora. Tan solo hace falta observar su evolución desde el principio hasta lo más actual: En 1998 se presentó el primer ordenador cuántico (sólo dos qubits, y necesitaba una máquina de resonancia magnética nuclear para resolver un problema «de juguete», el problema de Deutsch-Jozsa). En 2001 se ejecutó por primera vez el algorimo de Shor. Sólo 6 años más tarde, en 2007, D-Wave presentaba su primer ordenador capaz de ejecutar el temple cuántico con 16 qubits. Este año, la misma compañía anunciaba un ordenador de temple cuántico de 2000 qubits. Por otra parte, los nuevos computadores de IBM, aunque con menos qubits, son capaces de implementar algoritmos genéricos y no sólo el del temple cuántico. En resumidas cuentas, parece que el empuje es fuerte y que cada vez será más aplicable a problemas reales. (Guillermo, 2019)
¿Cuáles pueden ser esas aplicaciones? Algunos de los campos en los que la computación cuántica puede traer novedades y desarrollos van desde la industria farmacéutica y la investigación de nuevos medicamentos, que se podría usar para encontrar soluciones a problemas en medicina o química, como encontrar los métodos óptimos de tratamiento para un paciente o estudiar las posibles estructuras de moléculas complejas, para la creación de nuevos materiales e incluso las llamadas finanzas cuánticas, (en las que BBVA ya ha empezado a interesarse). También para problemas de aprendizaje automático, lo cual hace de los ordenadores que lo implementen sean extremadamente útiles y funcionales. (Communications, 2019)
Otra de las aplicaciones más prometedoras de las computadoras cuánticas es simular el comportamiento de la materia a nivel molecular. Fabricantes como Volkswagen, usan computadoras cuánticas para simular la composición química de las baterías de los coches eléctricos y así poder encontrar nuevas formas de mejorar su rendimiento. El mismo fabricante, también ha presentado un servicio que calcula rutas óptimas para autobuses y taxis en las ciudades para reducir la congestión. Otras compañías como Airbus, utiliza esos algoritmos para ayudar a calcular el consumo de combustible durante los ascensos y descensos para optimizarlo. Y los investigadores también creen que las máquinas podrían usarse para acelerar la inteligencia artificial. (Stephan, 2019)
Y una de mis aplicaciones favoritas de la cuántica es la teletransportación de información de un lugar a otro sin transmitir físicamente la información. Puede sonar a ciencia ficción, pero esto es posible gracias a que estas identidades fluidas de las partículas cuánticas pueden enredarse en el espacio y el tiempo de manera que un cambio en una partícula puede afectar a la otra, y eso crea un canal para la teletransportación. Ya ha sido demostrado en laboratorios de investigación y podría ser parte de un futuro Internet cuántico. (Shohini, 2018)
En definitiva, hasta que ésta se implemente por completo y pese a todas las posibilidades que se abren, aún debemos tener mucho cuidado, sobre todo en la vida cotidiana. La computación cuántica no va a descargarnos un vídeo de forma más rápida ni va a servir para que un jugador de videojuegos tenga una mejor tarjeta gráfica. Va mucho más allá. Quién sabe qué aplicaciones descubriremos luego. Pero debemos pisar con cuidado y ser responsables a medida que construimos nuestro futuro cuántico.
El futuro es fundamentalmente incierto, y eso para mí es ciertamente emocionante.
Webgrafía y refernecias
- Guillermo Julián, G. J. (2019, 1 marzo). Computación cuántica: qué es, de dónde viene y qué ha conseguido. Recuperado 7 febrero, 2020, de https://www.xataka.com/ordenadores/computacion-cuantica-que-es-de-donde-viene-y-que-ha-conseguido
- Colaboradores de Wikipedia. (2020, 27 enero). Puerta cuántica – Wikipedia, la enciclopedia libre. Recuperado 7 febrero, 2020, de https://es.wikipedia.org/wiki/Puerta_cu%C3%A1ntica
- Stephan, S. (2019, 17 octubre). Qubit, el secreto de los ordenadores cuánitcos. Recuperado 7 febrero, 2020, de https://scripters.es/qubit-el-secreto-de-los-ordenadores-cuanticos/
- Sanchez, J. C. (2017, 12 mayo). D-Wave 2x, el nuevo ordenador cuántico de la NASA y Google. Recuperado 7 febrero, 2020, de https://tecnoemergentes.foroactivo.com/t131-d-wave-2x-el-nuevo-ordenador-cuantico-de-la-nasa-y-google
- Shohini Ghose, S. G. (2018). Transcript of «Computación cuántica explicada en 10 minutos». Recuperado 7 febrero, 2020, de https://www.ted.com/talks/shohini_ghose_a_beginner_s_guide_to_quantum_computing/transcript?language=es#t-94081
- González Fernández, C. (2020, 28 enero). Computación cuántica: ¿en qué se diferencia de la computación clásica? Recuperado 7 febrero, 2020, de https://www.bbva.com/es/computacion-cuantica-en-que-se-diferencia-de-la-computacion-clasica/
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