¿Qué es realmente una computadora cuántica y por qué podría cambiar el mundo?

¿Qué es realmente una computadora cuántica y por qué podría cambiar el mundo?

Una computadora cuántica es aquella que está basada en la computación cuántica, que puede definirse como aquel tipo de computación que emplea las propiedades de la mecánica cuántica de las partículas elementales, como - por ejemplo - los fotones, para transferir, procesar y almacenar la información. Un cuanto (quantum) denota un paquete de energía muy pequeño. La mecánica cuántica, o teoría cuántica, estudia los componentes básicos de la materia, es decir, estudia las partículas de las que está hecho todo el universo: átomos, moléculas, neutrones, protones, electrones y quarks, y también los fotones, que son las unidades básicas de la luz. Un fotón es un cuanto de luz. Las partículas que son más pequeñas que un átomo se denominan partículas subatómicas. Algunas partículas subatómicas pueden estar dentro del núcleo de un átomo (por ejemplo, los quarks, que se combinan de un modo específico para formar los protones y los neutrones, que también están dentro del núcleo) y otras pueden estar fuera del núcleo del átomo (por ejemplo, bosones y neutrinos).

En la computación tradicional ????, utilizamos el sistema binario o el sistema de series de unos y ceros (1 y 0), cuya unidad de medida llamamos bit, es decir, la forma en que almacenamos los datos en los ordenadores o computadoras. En la computación cuántica, en vez de usarse el sistema binario de unos y ceros - o bits - se emplea el bit cuántico - o cúbit -. El cúbit recurre a las extraordinarias propiedades, si no es que mágicas, de las partículas subatómicas. En ese mundo cuántico mágico o irreal, las partículas son ondas y las ondas partículas. Un rayo de luz, por consiguiente, es una onda electromagnética que se desplaza a través del espacio y una corriente de partículas minúsculas que se mueven hacia el observador, en el sentido de que ciertos experimentos o fenómenos cuánticos revelan la naturaleza ondulatoria de la luz, mientras que otros revelan su naturaleza corpuscular, pero nunca ambas a la vez. Y, sin embargo, antes de observar un haz de luz, éste es ambas cosas, o sea, una onda y una corriente de partículas. Es la dualidad onda-partícula, una de las paradojas de la Física, donde la luz puede ser onda y partícula a la vez.

En el mundo cuántico, los electrones o los fotones pueden presentar dos estados simultáneamente, fenómeno que los físicos denominan superposición. Es como si un circuito pudiera estar abierto y cerrado al mismo tiempo, que la respuesta a una pregunta fuera "sí" y "no" a la vez, o como sucede con el famoso gato de Schrödinger, que puede estar vivo y muerto al mismo tiempo. Como consecuencia de ese doble estado simultáneo, o estado ambiguo, un ordenador o computadora basada en cúbits podrá hacer un número mucho mayor de cálculos y a mayor velocidad que un ordenador o computadora tradicional. Por ejemplo, si tenemos un ordenador o computadora de 2 cúbits y le agregamos otros dos cúbits, el poder de procesamiento no se duplica simple y llanamente para convertirse en una computadora de 4 cúbits, sino que este se incrementa de manera exponencial, como lo hace una bacteria cuando se reproduce. Las computadoras cuánticas utilizan el algoritmo de Grover para hallar la solución correcta, entre varias o muchas posibles, a problemas diversos, descartando las que no sirvan y de manera más rápida que las computadoras binarias tradicionales

El gato de Schrödinger. Vivo y muerto al mismo tiempo.

Hay otro fenómeno de la física cuántica llamado entrelazamiento. Este fenómeno ocurre cuando dos partículas están conectadas a tal punto que lo que sucede con una inmediatamente afecta a la otra, sin importar lo grande que sea la distancia que las separa. Estos cambios por lo general se deben a la observación experimental o al tratar de estudiar las partículas. Es decir, la observación o experimentación misma afectará el resultado. Incluso ya se ha conseguido el entrelazamiento triple, es decir, el entrelazamiento de tres fotones. El entrelazamiento cuántico dejó de ser sólo un experimento constreñido a los laboratorios en los últimos años. El récord de entrelazamiento cuántico en la actualidad es de 1.200 kilómetros gracias al satélite chino Micius en 2017, que logró transmitir tres fotones entrelazados cuánticamente a tres estaciones ubicadas en la Tierra. El récord anterior era de 100 kilómetros. Y no solamente se ha conseguido entrelazar fotones, sino también átomos y hasta moléculas. Pero ¿por qué se hizo este experimento desde un satélite? Porque los experimentos realizados en la superficie terrestre tienen un punto débil o desventaja: el debilitamiento inevitable de la señal o de la transmisión de la información.

La tecnología de la computación cuántica se encuentra, actualmente, en una fase de experimentación. Se han logrado avances pequeños, pero no hay duda de que en unos años se habrá dado un salto cuántico en este respecto.

Entre las aplicaciones de la computadora cuántica se encuentran el aprendizaje de las máquinas por medio de la inteligencia artificial, la optimización del manejo de datos, las simulaciones biomédicas, e igualmente se verán beneficiadas la industria financiera, la industria química y la ciencia de los materiales, para citar algunos ejemplos.

Las computadoras cuánticas podrían cambiar el mundo debido a cómo se van a almacenar, recuperar y almacenar los datos. Las computadoras cuánticas existen desde 1998, pero hasta el momento no han logrado superar a las computadoras convencionales.

Los expertos creen que las computadoras cuánticas permitirán avances que son inconcebibles hoy en día. Algunos de estos avances serán en la industria de la información y aprendizaje automático, que harán posible desarrollar sistemas de cifrado mucho más seguros que los actuales. Esto es muy útil, por ejemplo, para el sector bancario y el Ejército. Con el cada vez mayor peligro del ciberespionaje para países y organizaciones, la posibilidad de crear una nueva generación de comunicaciones seguras resulta de vital importancia. Pasa algo curioso con los fotones entrelazados: aunque se los separe, si un fotón es afectado, su gemelo por así decirlo se modifica de la misma forma inmediatamente, sin importar qué tan lejos estén el uno del otro. Esto significa que si un hacker intercepta uno de los fotones entrelazados, el otro lo sabrá. La clave de encriptación, entonces, cambiará y la información a la que daba acceso se autodestruirá.

También prevén los expertos que permita la creación de algoritmos de inteligencia artificial más avanzados.

Y se esperan, además, avances en el campo de la ciencia y la medicina, descubriendo métodos de tratamiento óptimos según el paciente o estudiando estructuras de moléculas complejas.

El 26 de septiembre de 2019, el diario inglés Financial Times aseguró, en un artículo, que había encontrado en el sitio web de la NASA un anuncio en el que explicaban que Google habría construido el primer ordenador cuántico capaz de realizar en tan sólo 3 minutos y 20 segundos un cálculo que llevaría alrededor de 10 mil años en la mejor de las computadoras convencionales. Sin embargo, la NASA - según el Financial Times - retiró el anuncio poco después de ser publicado. De ser cierto que Google logró este avance significativo, y parece que sí, partiría en dos la historia de la ciencia de la computación en un antes y un después, y se habría alcanzado la denominada supremacía cuántica.

Según los expertos, la supremacía cuántica ocurrirá cuando una computadora cuántica consiga resolver un problema que una computadora convencional no logre solucionar, o cuando lo haga más rápido.

ACTUALIZACIÓN: El 23 de octubre de 2019, la revista Nature ha publicado la noticia que confirma el logro de Google con respecto a la supremacía cuántica. Google y la NASA - que participaron en el proyecto con un equipo de investigadores de ambas entidades- han revelado que el procesador cuántico del gigante tecnológico, llamado Sycamore, ha tardado cerca de 200 segundos en arrojar un resultado que, según se estima, habría llevado a las mejores supercomputadoras digitales, equipadas con los mejores algoritmos, unos 10.000 años. Uno de los puntos débiles de las computadoras cuánticas actuales es que son propensas a errores, debido principalmente, entre otros factores, a la inestabilidad ocasionada por las altas temperaturas alcanzadas (hay que recurrir al enfriamiento) durante el procesamiento de los datos, y el próximo paso será abordar este problema para buscar soluciones.

El director de Google, Sundar Pichai, comparó el logro del ordenador cuántico de su compañía con el vuelo histórico de los hermanos Wright en 1903:

"El primer vuelo duró tan solo 12 segundos, y ello no tiene usos prácticos. Pero sí demostró que un avión puede volar", dijo.

Una computadora cuántica, u ordenador cuántico, no tiene memoria RAM, ni tiene disco duro. Sólo posee un procesador cuántico, el cual controla los estados de los cúbits mediante señales de microondas. Por ejemplo, en el ordenador cuántico de Intel de 49 cúbits desarrollado por Intel en 2018 en asociación con QuTech (el instituto de investigación cuántica de la Universidad Delft de Tecnología), el procesador cuántico está localizado en un receptáculo del sistema de enfriamiento, que maneja la friolera de -273 grados centígrados (273 grados centígrados bajo cero). Hay una sala de control desde donde se envían las señales de microondas mencionadas anteriormente y posee sistemas para interpretar el estado de los cúbits, y en esta sala de control también se encuentran sistemas de ordenadores convencionales para analizar e interpretar los resultados obtenidos.

Trabajadora junto a un sistema de computación cuántica de IBM.