Imagen: Wikipedia.

La computación cuántica traerá fenómenos nuevos con normas nuevas que cambiarán casi todo lo que conocemos y creemos saber sobre la informática. Gracias a la superposición, un comportamiento físico particular, esta nueva computación puede resolver problemas que ni toda la memoria de computación convencional podría solucionar a día de hoy.

Empezando por el principio, comparemos y recordemos que la computaci√≥n actual trabaja en bits. Tu ordenador s√≥lo sabe ‚Äúleer‚ÄĚ la informaci√≥n en dos estados: cero o uno (encendido o apagado). Para los bits tenemos normalmente solo voltajes: aplicamos 3V en un alambre = 1; aplicamos 0.5V en el mismo alambre = 0. Y todo lo que se hace en un ordenador es transcrito a este sistema por transistores, una suerte de peque√Īas cajitas que pueden almacenar energ√≠a y liberarla cuando sea necesario.

Entender a los transistores es importante para la comparaci√≥n: cuando una cajita tiene electricidad almacenada interpretamos un 1, y cuando no, un 0. Se utilizan unos 6 transistores por bit y, adem√°s, hay unos circuitos llamados puertas l√≥gicas, que miden el estado de las cajitas y guardan energ√≠a en nuevas cajitas en funci√≥n de los estados que midan. Por ejemplo, la puerta OR mide si hay electricidad en dos cajitas, y √ļnicamente si hay electricidad en alguna de ellas guarda electricidad en otra cajita.

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Simplific√°ndolo mucho para el caso que nos ocupa, estos son los elementos f√≠sicos que llevan a cabo los c√°lculos que nosotros mandamos hacer a trav√©s de programas y apps. Como puedes imaginar, este sistema tan ‚Äúmec√°nico‚ÄĚ hace que la velocidad a la que un ordenador puede procesar la informaci√≥n sea lineal a la cantidad de bits que posea, dependa del hardware y por defecto tenga un l√≠mite t√©cnico.

El l√≠mite t√©cnico podr√≠a parecer una exageraci√≥n, hacer ordenadores m√°s grandes y ya est√°, pero no es as√≠. El l√≠mite se torna evidente cuando pensamos que ni todos los ordenadores cl√°sicos del mundo son lo suficientemente inteligentes para resolver problemas de optimizaci√≥n cuando la cantidad de datos es demasiado grande. Y en este momento de la historia, como civilizaci√≥n, generamos inmensas cantidades de datos: clim√°ticos, poblacionales, geon√≥micos, patrones de comportamiento... No podemos crear versiones √ļtiles o patrones de ellos por la imposibilidad de que un ordenador cl√°sico los asimile todos.

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Imagen: Amplificadores y transistores. Wikipedia.

La diferencia que hace especial a la tecnolog√≠a cu√°ntica, y por lo que tiene un potencial tan inmensamente grande, es que sus bits trabajan tambi√©n con la superposici√≥n de ambos estados: encendido y apagado. Esto pasa porque el proceso no ocurre mec√°nicamente, sino gracias a las normas de la f√≠sica cu√°ntica. Al aplicar la ‚Äėl√≥gica‚Äô cu√°ntica al mundo de la inform√°tica, se consiguen resolver problemas a toda velocidad, paralelamente y con multitud de resultados para cada variable.

Los bits de la computación cuántica se llaman qubits. Igual que un bit, un qubit representa una unidad básica de información, pero una unidad de información cuántica, que se rige por las normas de la física cuántica y por ello el qubit puede ser 0 o 1, o algo entre estos. De hecho, puede ser 1 y 0, paralelamente.

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Por su parte, el efecto ‚Äúcontenedor‚ÄĚ de los transistores y puertas l√≥gicas se sustituyen por otros procesos m√°s complicados, y hay varios, pero la idea es la misma: ‚Äúaislar‚ÄĚ al qubit como ocurre dentro del transistor.

Las formas de hacer un ordenador cu√°ntico

Los ordenadores cuánticos varían entre sí dependiendo de la forma en la que se las arreglen para aislar y conducir a los qubits, pero siempre nos interesa crear lo mismo que en el transistor: conseguir que se relacionen sólo cuando nosotros queramos, y hay varios sistemas para lograrlo.

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Alejandro Pozas-Kerstjens, M√°ster en F√≠sica Te√≥rica por el Perimeter Institute for Theoretical Physics en Canad√° y cursando un Doctorado en Teor√≠a Cu√°ntica de la Informaci√≥n en el ICFO, comenta para Gizmodo en Espa√Īol:

El interior de un refrigerador de diluci√≥n. Los cables coaxiales de color dorado sirven para enviar se√Īales de entrada y de salida desde el interior del refrigerador. Foto cedida por IBM Research.

‚ÄúEst√°n los circuitos superconductores, por ejemplo. Estos se basan en peque√Īos circuitos enfriados hasta temperaturas muy bajas (-273 ¬ļC) para que las propiedades se ‚Äėcuantizen‚Äô. Es decir, imagina por ejemplo, que puede circular por el circuito a muy bajas temperaturas 1V o 2V, pero no 1.5V. Esto permite saber a la m√°quina muy claramente qu√© es el 0 y qu√© es el 1".

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Esta es la tecnología que más éxito está teniendo en las empresas ahora. Por ejemplo, IBM tiene un ordenador cuántico de 16 de estos circuitos superconductores que cualquiera puede controlar desde casa a través de la web.

Tambi√©n est√°n iones atrapados. En este proceso el ordenador cu√°ntico usa iones (√°tomos a los que se les ha quitado uno o varios electrones) como qubits en un estado determinado y los mantiene atrapados en trampas l√°ser, para luego combinarlos seg√ļn el c√°lculo a realizar. ‚ÄúEl 0 y el 1 se identifican con distintas distribuciones de los electrones restantes, o con distintas posiciones del esp√≠n nuclear. Las operaciones se hacen a trav√©s de l√°seres que modifican las posiciones‚ÄĚ, ampl√≠a Alejandro.

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Por √ļltimo otra muy conocida es la de espines nucleares. Estos utilizan estados de esp√≠n de mol√©culas enteras como qubits. El esp√≠n es una propiedad f√≠sica de las part√≠culas elementales, pero para el caso que nos ocupa basta entender que las mol√©culas est√°n en un estado determinado y las operaciones se implementan cambiando su estado a uno nuevo con resonancia magn√©tica (s√≠, la misma de las pruebas m√©dicas). ‚ÄúTuvo mucha presencia originalmente porque las condiciones necesarias para hacer computaciones no eran tan restrictivas como en otros casos, pero √ļltimamente se ha visto que posiblemente no sea la mejor opci√≥n‚ÄĚ.


Así es como funciona

Imagen: Laboratorio de IBM Q T.J. Watson en Nueva York. Foto de Connie Zhou para IBM, cedido por IBM.

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Con lo dicho hasta ahora podr√≠a parecer que el ordenador hace magia por su cuenta. S√≠ y no. No es magia, son leyes f√≠sicas, pero s√≠ ocurre ‚Äúespont√°neamente‚ÄĚ de la misma forma que los imanes de carga opuesta se pegan entre ellos o la gravedad hace que las cosas caigan. Con la computaci√≥n cu√°ntica s√≥lo nos hemos percatado de normas nuevas que crean fen√≥menos nuevos que podemos aprovechar.

Una de ellas es que los √°tomos y mol√©culas, cuando no forman parte de estructuras m√°s grandes, se rigen bajo unas normas ‚Äúdistintas‚ÄĚ a las que vemos en nuestro mundo cotidiano. Estas normas son las que dicta la f√≠sica cu√°ntica y, en concreto, la que usa la computaci√≥n cu√°ntica es la superposici√≥n.

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Se basa en un fenómeno llamado dualidad de partícula-onda u onda-partícula. Hablamos de un comportamiento que se observa en partículas subatómicas, como los electrones de la carga eléctrica. Este fenómeno es tal que el comportamiento de un flujo de electrones, que son partículas, es como el de ondas bajo ciertas condiciones.

Una onda consiste en la propagaci√≥n de una perturbaci√≥n de alguna propiedad, implicando un transporte de energ√≠a sin transporte de materia. Por ejemplo, una onda f√°cil de imaginar es la ac√ļstica. Una part√≠cula subat√≥mica es aquella que es m√°s peque√Īa que el √°tomo, como lo es un electr√≥n, pero tiene una masa y posici√≥n concretas.

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Por tanto, por extra√Īo que pueda parecer, las part√≠culas pueden comportarse como ondas y viceversa. Y, de acuerdo con la ley cu√°ntica, cuando este fen√≥meno se da, la part√≠cula entra una superposici√≥n de estados, en los que se comporta como si estuviera en ambos de forma simult√°nea o en un punto intermedio entre los dos.

‚ÄúMientras que los objetos cl√°sicos est√°n en un estado u otro (pero siempre uno determinado), el estado de un sistema cu√°ntico puede ser una superposici√≥n de varios estados posibles. Para esto se suele utilizar la analog√≠a de la moneda: si los dos estados de una moneda fueran estar en cara o en cruz, entonces un estado cu√°ntico ser√≠a una superposici√≥n de las dos‚ÄĚ ‚ÄĒ Alejandro Pozas-Kerstjens.

Esto es dif√≠cil de imaginar, por supuesto. Pero Alejandro nos dio una representaci√≥n muy buena para comprenderlo: ‚ÄúImagina que solamente puedes conocer el objeto a trav√©s de sus sombras‚ÄĚ.

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Ilustrativa de la dualidad onda-partícula. Cómo un mismo fenómeno puede tener dos percepciones distintas.

A veces en la sombra se ve un c√≠rculo, y a veces un rect√°ngulo. Lo que podemos decir con las sombras es que, dependiendo de c√≥mo se mire, tiene las propiedades de un c√≠rculo o de un rect√°ngulo. El caso de la dualidad onda-part√≠cula es muy similar. ‚ÄúA veces, la luz se comporta como ondas, por ejemplo cuando hacemos experimentos de interferencias, pero otras veces se comporta como part√≠culas cuando utilizamos l√°seres que mandan un fot√≥n por pulso‚ÄĚ.

La utilidad de la superposición

Centro Cloud de IBM en Espa√Īa.

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La computación cuántica intenta usar la superposición de estados para poder ejecutar más de un cómputo a la vez. Como los electrones del qubit puede ser 0 y 1 al mismo tiempo, comprueba el sí y el no de cada suposición paralelamente, lo que nos permite tener ordenadores muchísimo más rápidos. Por supuesto, no garantiza más rapidez para todos los problemas pero sí en los que puedan aprovechar ese paralelismo.

‚ÄúImagina un programa determinado que toma dos n√ļmeros y un bit adicional y hace lo siguiente: si el bit adicional est√° en el estado 0 entonces el programa suma los dos n√ļmeros y te da el resultado, y si el bit est√° en el estado 1 el programa resta los n√ļmeros y te da el resultado. Si quisieras obtener la suma y la resta de dos n√ļmeros, tendr√≠as que correr el programa dos veces: uno con el bit adicional en 0 y otro con el bit en 1. En un ordenador cu√°ntico, dado que el qubit puede estar en una superposici√≥n de 0 y 1, el programa corre las dos instrucciones ‚Äėen paralelo‚Äô, y con correrlo una vez puedes conseguir un resultado que sea la superposici√≥n de la suma y la resta de los n√ļmeros‚ÄĚ ‚ÄĒ Alejandro Pozas-Kerstjens.

IBM explica a Gizmodo en Espa√Īol que ‚Äúmientras que las tecnolog√≠as que se ejecutan actualmente sobre ordenadores cl√°sicos, como Watson, pueden encontrar patrones y hacer descubrimientos escondidos en la vasta cantidad de datos existentes, los ordenadores cu√°nticos aportar√°n soluciones a problemas en los que los patrones y el n√ļmero de posibilidades que se tendr√≠a que analizar es tan enorme que un ordenador cl√°sico no podr√≠a procesarlo jam√°s‚ÄĚ. Y a√Īaden que ‚Äúla computaci√≥n cu√°ntica proporcionar√° una nueva oleada de servicios, y que promete ser la pr√≥xima gran tecnolog√≠a que impulse una nueva era de innovaci√≥n industrial‚ÄĚ.¬†

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Pero no todo es tan simple

Imagen: D-Wave.

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Sin embargo, usarla no es tan f√°cil. Los √°tomos y part√≠culas tienen sus normas, y si no nos atenemos a ellas no podemos controlarlos. Por ejemplo, no se puede ni siquiera mirar mientras el ordenador computa. Por extra√Īo que te pueda parecer, otra de las leyes que rigen en el mundo cu√°ntico es que las superposiciones no pueden ser observadas o se destruyen.

Adem√°s, depender de fen√≥menos que cambian si existen otras part√≠culas cerca o simplemente por la temperatura es extremadamente dif√≠cil. Las propiedades cu√°nticas son muy fr√°giles e incluso se degradan con el tiempo, as√≠ que hay que invertir muchos recursos en mantener a los ordenadores cu√°nticos aislados del entorno. No s√≥lo tener una temperatura de -273¬ļC, sino tambi√©n a conservarlos en condiciones de vac√≠o donde un √°tomo externo no pueda golpearlos, por ejemplo.

‚ÄúLa idea que se tiene actualmente no es la de que cada persona en el planeta tenga su propio ‚Äėport√°til cu√°ntico‚Äô justo por el hecho de que las condiciones requeridas son muy restrictivas, sino que existan una cantidad ‚Äėlimitada‚Äô de ordenadores cu√°nticos en lugares donde tengan las condiciones adecuadas de temperatura, vac√≠o... etc., y la gente acceda a ellos v√≠a Internet‚ÄĚ ‚ÄĒ Alejandro Pozas-Kerstjens.

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No todo el mundo puede tener un refrigerador de diluci√≥n en casa para mantener los qubits fr√≠os, pero hay que pensar a mayor escala que nosotros tecleando en nuestro sal√≥n. Los ordenadores cu√°nticos se est√°n dise√Īando con la idea de resolver problemas que actualmente son demasiado complejos para los ordenadores cl√°sicos.

Una de las primeras y m√°s prometedoras √°reas de aplicaci√≥n ser√° la qu√≠mica. En una simple mol√©cula de cafe√≠na, el n√ļmero de estados cu√°nticos en las mol√©culas crece sorprendentemente r√°pido, tan r√°pido que ni toda la memoria de computaci√≥n convencional que los cient√≠ficos pudieran construir podr√≠a contenerlo.

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Otras futuras aplicaciones podrían ser, por ejemplo: medicamentos y materiales (complejas interacciones moleculares y químicas podría llevar al descubrimiento de nuevas medicinas), logística y cadena de suministro (cálculo de trayectorias óptimas a lo largo de sistemas globales), servicios financieros (modelizaciones de datos financieros e inversiones a escala global), inteligencia artificial (aprendizaje automático cuando el flujo de datos es grandísimo), seguridad (romper la criptografía, el algoritmo de Shor, por ejemplo, podría hacerlo).

Por √ļltimo, decir que descubrir la utilidad real de la computaci√≥n cu√°ntica va a requerir muchas manos que experimenten y el potencial todav√≠a est√° por cuantificar. Dicho de otra manera, el crecimiento exponencial de esta tecnolog√≠a todav√≠a es inimaginable y qui√©n sabe hasta d√≥nde nos llevar√°, pero lo que es seguro es que el que era el l√≠mite de la inform√°tica ya no es el l√≠mite, se est√° revolucionando una vez m√°s, y tenemos la suerte de contemplarlo.