Cualquier día de estos, las computadoras cuánticas resolverán un problema demasiado difícil para que lo haga una computadora clásica. O al menos, eso es lo que esperamos. Científicos y empresas compiten por alcanzar ese hito informático que ya tiene un nombre peculiar: supremacía cuántica.

Aparentemente, ese hito est√° al alcance de nuestra mano,pero si has estado siguiendo la historia de la computaci√≥n cu√°ntica, es posible que te est√©s preguntando: ¬Ņpor qu√© a√ļn no lo hemos conseguido despu√©s de todo el bombo que se le ha dado?

La respuesta corta es que controlar las propiedades cu√°nticas de las part√≠culas es algo muy dif√≠cil. Incluso aunque pudi√©ramos usarlas para calcular, es posible que no se pueda comparar con la computaci√≥n convencional en los mismos t√©rminos. Supremac√≠a cu√°ntica es un concepto enga√Īoso. La primera demostraci√≥n de esa supremac√≠a ser√° casi seguro un problema artificial que no tendr√° ning√ļn uso pr√°ctico para el consumidor. No obstante, ser√° un hito crucial que nos permitir√° por fin¬†comparar ambas tecnolog√≠as y averiguar qu√© es lo que realmente pueden hacer.

¬ŅQu√© es lo que nos separa del futuro? John Preskill, profesor de f√≠sica te√≥rica en el Instituto de Tecnolog√≠a de California y la persona que acu√Ī√≥ el t√©rmino supremac√≠a cu√°ntica responde as√≠ a esa pregunta:

Antes de preguntarte cuando llegar√° ese mundo deber√≠amos preguntarnos qu√© es una computadora cu√°ntica, o algo incluso m√°s b√°sico: ¬Ņqu√© es una computadora?

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Las computadoras son dispositivos que procesan datos y los almacenan como entradas que pueden manipular mediante un sistema de instrucciones y algoritmos matemáticos. Esas entradas se llaman bits. Un bit puede tener dos valores: cero o uno. Es como una moneda La manipulación de millones de estos dispositivos binarios simultáneamente es lo que crea diferentes probabilidades y permite a los sistemas que los procesan realizar cálculos y operaciones hasta dar con el resultado deseado.

En las computadoras cu√°nticas, los algoritmos tienen un tipo diferente de arquitectura; en lugar de bits, usan qubits, que son bits que obedecen las extra√Īas reglas de la mec√°nica cu√°ntica. (Si lo prefieres, puedes ver esto resumido en el v√≠deo que hay a continuaci√≥n. Si prefieres leer, sigue adelante)

Cada qubit es como una moneda a la que hemos a√Īadido un peso que permite ajustar la probabilidad de salga una de las dos caras. Realizar un c√°lculo cu√°ntico es como tirar las monedas al aire, pero cada una de ellas es susceptible de ser modificada, y por tanto debe tratarse como un dado de m√ļltiples caras con su propio conjunto de probabilidades. La computaci√≥n cu√°ntica conecta cada dado a una puerta l√≥gica, lo que introduce interferencias que modifican a√ļn m√°s las probabilidades de que salga una cara u otra. Lo que hacen las aplicaciones cu√°nticas es mapear la informaci√≥n de cada lado, y a menudo requiere varias tiradas para lograr resultados interesantes.

La carrera por el PC Cu√°ntico

Los cient√≠ficos y las compa√Ī√≠as tecnol√≥gicas est√°n interesados en las computadoras cu√°nticas tanto por su inter√©s cient√≠fico innato como por el impacto que podr√≠an tener en campos como la inteligencia artificial, la ciberseguridad, o los servicios m√©dicos. La idea es que hay algoritmos que funcionar√≠an mucho m√°s r√°pido bajo una arquitectura cu√°ntica que con una computadora cl√°sica. El algoritmo de Shor, por ejemplo sirve para factorizar n√ļmeros extremadamente grandes. Un algoritmo que pueda hacer eso r√°pidamente es de vital importancia porque la mayor√≠a de t√©cnicas de cifrado actual se basan en la premisa de que las computadoras cl√°sicas pueden multiplicar f√°cilmente dos n√ļmeros, pero tardan un tiempo irrazonablemente largo en calcularlos de vuelta. Una computadora cu√°ntica que pueda ejecutar el algoritmo de Shor simplemente har√≠a que todo nuestro cifrado actual quedara obsoleto.

Otros esperan que las computadoras cuánticas se puedan usar para crear redes neuronales cuánticas que den soporte a la inteligencia artificial. Esa inteligencia permitirá resolver problemas de química, o ayudar a encontrar nuevos medicamentos para curar enfermedades.

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Todo eso está muy bien, pero para que una computadora cuántica sea realmente emocionante, necesita ser mejor que las computadoras comunes a la hora de realizar la misma tarea. Las cifras venden muy bien y poder decir que el nuevo procesador cuántico es XX veces más rápido que el que tienes en casa es importante. Es por eso que científicos y empresas, como Google consideran la supremacía cuántica como un hito clave para esta tecnología.

Hasta ahora, las propuestas de los físicos teóricos para demostrar la supremacía cuántica generalmente siguen la misma premisa. Se crea un complicado circuito cuántico, se le pone a trabajar de forma aleatoria, y se miden los valores resultantes. Después se aplica un test estadístico para asegurarse de que el experimento se realizó correctamente. Básicamente, la idea es demostrar que a medida que el problema aumenta en complejidad, la cantidad de tiempo que tarda una computadora clásica en calcularlo aumenta a un ritmo mucho mayor que en una computadora cuántica. La computadora cuántica resuelve el mismo problema en menos tiempo.

Detalle de una de las primeros computadoras cu√°nticas.
Foto: D-Wave

Desde un punto de vista empresarial, la tarea resulta un poco vana. ¡Vale! Resuelve problemas más rápido, pero eso no es algo con lo que puedas curar enfermedades. Sin embargo, si lo miramos desde una perspectiva teórica, es importantísimo

La tésis de Church-Turing

Bill Fefferman, profesor en la Universidad de Maryland e investigador en el National Institute of Standards and Technology, explica que existe una hip√≥tesis llamada tesis de Church-Turing que postula que cualquier algoritmo inform√°tico se puede resolver mediante una m√°quina de Turing. La m√°quina de turing es una computadora dise√Īada por el matem√°tico Alan Turing en 1936. El dispositivo manipula s√≠mbolos sobre una tira de cinta de acuerdo a una tabla de reglas. Solo existe en teor√≠a, pero es tan adaptable que puede usarse para resolver cualquier algoritmo. La tesis extendida de Church-Turing a√Īade que ning√ļn modelo pr√°ctico de computaci√≥n podr√≠a resolver tareas significativamente m√°s r√°pido que una de estas m√°quinas de Turing.

Los científicos en computación teórica proporcionaron a principios de los noventa pruebas sólidas de que la tesis extendida de Church-Turing estaba equivocada. Una máquina que lograse la supremacía cuántica proporcionaría pruebas tangibles contra la tesis, demostrando que realmente hay problemas dónde una supercomputadora sería menos eficiente que una computadora cuántica con una arquitectura diferente.

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La supremac√≠a cu√°ntica, desde una perspectiva cient√≠fica, es la llave que dar√° a los cient√≠ficos una forma de determinar para qu√© ser√°n √ļtiles o no las computadoras cu√°nticas, y para compararlas con las computadoras cl√°sicas. Hasta principios de la d√©cada de 1990, los cient√≠ficos te√≥ricos de la computaci√≥n han propuesto problemas id√≥neos para computadoras cu√°nticas. Tareas hechas a medida, por decirlo de otra manera. Las tareas realmente √ļtiles, como el algoritmo de Shor, llegaron a√Īos m√°s tarde.

Suena a gasto in√ļtil, pero Fefferman se muestra tajante: ‚ÄúNo se puede pensar en esto como un gasto de miles de millones de d√≥lares para implementar un problema artificial. Primero debemos construir los cimientos.‚ÄĚ Tampoco es intr√≠nsecamente in√ļtil. El experimento puede convertir a las computadoras cu√°nticas en generadores de n√ļmeros aleatorios muy √ļtiles, para la criptograf√≠a, en juegos de azar, o simulaciones.

El largo camino hacia la supremacía

Pero, ¬Ņc√≥mo se alcanza realmente ese hito? Google ha reclutado la ayuda de la NASA. Entre ambos est√°n construyendo y probando un chip con lo que esperan que sea suficiente para demostrar la supremac√≠a cu√°ntica. Mientras tanto, otros investigadores que estudian los mismos problemas de supremac√≠a cu√°ntica en computadoras cl√°sicas para poder comparar. Finalmente se trabaja en teor√≠a computacional para asegurar que la prueba de que se logr√≥ la supremac√≠a es realmente rigurosa.

Con los considerables recursos y las mentes de la NASA, Google, o IBM se diría que les está tomando demasiado tiempo. Por ahora, los dispositivos cuánticos comerciales más grandes tienen alrededor de 20 qubits, aunque IBM, Google e IonQ están probando dispositivos de 50, 72 y hasta 160 qubit.

Construir y operar una computadora cu√°ntica es dif√≠cil. En lugar de transistores de silicio en microchips, los cient√≠ficos deben crear dispositivos a partir de l√°seres que atrapan √°tomos individuales, y materiales superconductores que conducen la corriente sin resistencia para demostrar propiedades cu√°nticas manipulables. Esto requiere mantener las part√≠culas del procesador y sus cables internos casi en cero absoluto. Controlar este sistema resulta incre√≠blemente dif√≠cil, ya que una cantidad m√≠nima de energ√≠a exterior puede hacer que los qubits se colapsen en bits in√ļtiles (y muy caros).

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Interior del superordenador D-Wave 1 con 128 Qubits
Foto: D-Wave

En estos sistemas limitados, los investigadores solo pueden realizar un pu√Īado de operaciones cu√°nticas antes de que se colapse el estado cu√°ntico. Entrelazar demasiados qubits tambi√©n hace que el sistema colapse. Cada qubit adicional multiplica por dos la complejidad de la m√°quina.

Al mismo tiempo, los cient√≠ficos de la computaci√≥n cu√°ntica tienen que vencer a las computadoras cl√°sicas que simulan las computadoras cu√°nticas. Es preciso tener en cuenta cada posible soluci√≥n que pueda idear una persona que programe una computadora cl√°sica, lo cual es a√ļn m√°s dif√≠cil de hacer. Finalmente est√° la posibilidad de que haya que verificar de alguna manera el resultado que calcul√≥ la computadora cu√°ntica cuando ese mismo resultado es imposible de hacer para una computadora convencional.

‚ÄúApuesto a que alguien va a dar con la supremac√≠a cu√°ntica pronto‚ÄĚ, proclama Graeme Smith, profesor asistente de la Universidad de Colorado en Boulder. ‚ÄúPero el d√≠a que eso ocurra habr√° muchas preguntas sobre si realmente lo lograron debido a que es muy dif√≠cil de verificar.‚ÄĚ

Ventaja cuántica frente a supremacía cuántica

Los científicos de IBM trabajan en una tarea tal vez más fácil de lograr. Están tratando de demostrar la ventaja cuántica. La diferencia es sutil. La supremacía cuántica significa que una computadora cuántica puede realizar cálculos que una computadora clásica no puede hacer en un tiempo razonable.

La ventaja cu√°ntica significa que la computadora cu√°ntica puede superar a la computadora cl√°sica en alg√ļn c√°lculo. Algunos investigadores han ideado pruebas matem√°ticas de casos en los que las computadoras cu√°nticas son siempre mejores que las computadoras cl√°sicas que ejecutan el mismo algoritmo. El problema es que en estos casos, la computadora cl√°sica recibi√≥ una limitaci√≥n similar a una de las limitaciones actuales de las computadoras cu√°nticas: solo pod√≠a realizar algunas operaciones a la vez, para emular a los qubit, que solo puede realizar algunas operaciones hasta que colapsan.

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Sin embargo, la ventaja cuántica tiene un punto a favor sobre la supremacía cuántica. La supremacía cuántica es un objetivo muy difícil a alcanzar, pero si la industria solo busca un algoritmo más rápido, las ventajas cuánticas podrían hacer que las computadoras cuánticas tengan un uso más general en la industria antes.

Para empresas como Google e IBM, estos t√©rminos se mezclan con una gran dosis de relaciones p√ļblicas. Aram Harrow, profesor asociado de f√≠sica en el MIT explica: ‚ÄúAmbos intentan construir computadoras cu√°nticas programables. Google dir√° que el objetivo es la supremac√≠a, IBM dir√° que el objetivo es la ventaja. Al final no va a haber a una gran diferencia en el hardware que se construya‚ÄĚ.

Todo seguir√° igual (por un tiempo)

Cuando una empresa de las que construyen una computadora cu√°ntica anuncie que ha alcanzado la ‚Äúsupremac√≠a cu√°ntica‚ÄĚ o la ‚Äúventaja cu√°ntica‚ÄĚ, no supondr√° un cambio radical para la industria. Todav√≠a ser√°n dispositivos relativamente propensos a errores y de poca potencia. Los investigadores denominan a estas computadoras m√°quinas NISQ (m√°quinas cu√°nticas ruidosas de escala intermedia). Estas m√°quinas a√ļn enfrentar√°n las mismas limitaciones que ten√≠an antes de que existiera un dispositivo de supremac√≠a o ventaja, como la breve cantidad de tiempo que los qubits pueden permanecer entrelazados o el n√ļmero menor de c√°lculos que un qubit puede hacer antes de perder su naturaleza cu√°ntica.

‚ÄúLa supremac√≠a cu√°ntica es un escal√≥n para que avancemos a fin de resolver problemas m√°s interesantes‚ÄĚ, dijo a Gizmodo Mekena Metcalf, investigadora postdoctoral en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Para que las computadoras cu√°nticas se conviertan en los dispositivos de hackeo de c√≥digo y simulaci√≥n de mol√©culas del futuro, existen objetivos espec√≠ficos en el horizonte. ‚ÄúHacen falta much√≠simos m√°s qubits y profundidad de compuerta larga‚ÄĚ, explica Metcalf. En otras palabras, se necesitan m√°s qubits que pueden hacer m√°s c√°lculos antes de perder su comportamiento cu√°ntico.

‚ÄúAlcanzar ese estado requerir√° de mejor hardware, incluida una √≥ptica m√°s precisa para las computadoras cu√°nticas basadas en √°tomos atrapados por l√°ser‚ÄĚ, dijo a Gizmodo Sara Mouradian, investigadora postdoctoral en UC Berkeley. Quienes trabajan en computadoras cu√°nticas superconductoras esperan ver mejoras en los cables y un mejor control en general. Ambos sistemas necesitar√°n encontrar formas de aumentar enormemente la escala y el tama√Īo, lo que no es tan f√°cil como agregar m√°s ladrillos a una torre de Lego. Las computadoras cu√°nticas tambi√©n requerir√°n de correcci√≥n de errores, y de almacenamiento de la informaci√≥n de un solo qubit a trav√©s de m√ļltiples qubits f√≠sicos entrelazados para corregir posibles errores.

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Los dispositivos de la era NISQ a√ļn son herramientas que prueban los l√≠mites de la f√≠sica cu√°ntica. Tal vez encuentren aplicaciones √ļtiles en el corto plazo, ya sea demostrando ‚Äúsupremac√≠a cu√°ntica‚ÄĚ, ‚Äúventaja cu√°ntica‚ÄĚ o simplemente ‚Äúutilidad cu√°ntica‚ÄĚ. Tambi√©n hay muchos otros dispositivos cu√°nticos en funcionamiento, como sensores y herramientas criptogr√°ficas, que podr√≠an encontrar aplicaciones mucho antes.

Si debemos contestar la pregunta inicial: s√≠, es de esperar que los cient√≠ficos demuestren la supremac√≠a cu√°ntica (o ventaja) y encuentren pronto aplicaciones inform√°ticas cu√°nticas √ļtiles. Preskill pone el dedo en la llaga con cu√°l es el problema real de la computaci√≥n cu√°ntica:

El mayor reto que se cierne sobre el campo, particularmente en el lado comercial, es que todas las compa√Ī√≠as est√°n invirtiendo y construyendo sistemas, pero si no pueden encontrar una aplicaci√≥n √ļtil en 10 a√Īos, ¬Ņqu√© sucede entonces? ¬ŅSe producir√° un colapso cu√°ntico porque los que financian sentir√°n que no se ha alcanzado el potencial prometido?

Al menos por ahora, gobiernos como el de los Estados Unidos han aprobado planes que inyectan dinero en este sector para capacitar a más científicos y transferir conocimientos a la industria. .

La supremac√≠a cu√°ntica est√° en el horizonte, y su b√ļsqueda contin√ļa impulsando el progreso cient√≠fico de formas fundamentales y profundas. Pero probar la supremac√≠a cu√°ntica para un problema no acercar√° las computadoras cu√°nticas a nuestro escritorio. Hay muchas incertidumbres en el campo, especialmente cuando se trata de su potencial a corto plazo.

Las computadoras cuánticas son el ejemplo perfecto de por qué a veces la ciencia y la tecnología tienen objetivos diferentes y proporcionan dos formas de entender las cosas muy diferentes. La tecnología puede verse como un camino sin fin hacia un producto mejor. La ciencia es más lenta, impredecible y, a menudo, mucho más rigurosa. Requiere que las personas cubran todas las bases para comprender cómo funcionan realmente estos nuevos dispositivos innovadores antes de que podamos afirmar que las computadoras cuánticas son realmente superiores.