En qué estado actual se encuentra la computación cuántica y qué podemos esperar

No es sencillo ubicar con precisión en el tiempo el momento exacto en el que la computación cuántica comenzó a hacer ruido más allá de los ámbitos académico y de investigación. Quizá lo más razonable es aceptar que esta disciplina empezó a ser conocida por el gran público hace aproximadamente dos décadas, un período durante el que los ordenadores clásicos han experimentado un desarrollo muy notable.

Aunque hay científicos que defienden con cierta vehemencia que la computación cuántica a la que aspiramos es imposible, como Gil Kalai, un matemático israelí que da clase en la Universidad de Yale, lo cierto es que ha avanzado mucho durante los últimos años. Desde fuera puede parecer que es una «eterna promesa» más, pero los avances de los que estamos siendo testigos, como la construcción del primer prototipo funcional de 50 qubits en el que está trabajando IBM, nos invitan a ser razonablemente optimistas. Sí, los retos que tienen por delante matemáticos, físicos e ingenieros son casi titánicos, pero esto hace si cabe más apasionante esta disciplina. Comencemos nuestro viaje.

Computación cuántica: qué es y cómo funciona

Esta disciplina tiene fama de ser complicada, y, por tanto, difícil de entender. Y sí, es cierto que si profundizamos lo suficiente en ella la computación cuántica se vuelve muy compleja. La razón es que sus fundamentos se apoyan en principios de la física cuántica que no son en absoluto intuitivos porque sus efectos no podemos observarlos en el mundo macroscópico en el que vivimos.

En otros artículos hemos intentado explicaros qué es la computación cuántica, de dónde viene y hacia dónde va, pero en este texto nos viene bien retomar algunas de esas ideas porque es el punto de partida desde el que podemos intentar arrojar un poco de luz a su estado actual, y también a lo que nos deparará en el futuro. El primer concepto que nos interesa conocer es el de cúbit o qubit, que no es otra cosa que la contracción de las palabras en inglés quantum bit, o bit cuántico. Y para entender qué es un qubit nos viene bien repasar previamente qué es un bit en informática clásica.

En los ordenadores que utilizamos actualmente un bit es la unidad mínima de información. Cada uno de ellos puede adoptar en un momento dado uno de dos valores posibles: 0 o 1. Pero con un único bit apenas podemos hacer nada, de ahí que sea necesario agruparlos en conjuntos de 8 bits conocidos como bytes u octetos. Por otro lado, los bytes pueden agruparse en «palabras», que pueden tener una longitud de 8 bits (1 byte), 16 bits (2 bytes), 32 bits (4 bytes), etc.

Hasta ahora, como veis, no hemos manejado ninguna idea complicada, pero ha llegado el momento de que hagamos un pequeño cálculo. Si queremos saber cuántos valores diferentes puede adoptar un conjunto de bits, que puede tener cualquier tamaño (así que lo llamaremos n), solo tenemos que elevar 2 a n (2n). El dos, que es la base, procede del hecho de que cada bit puede adoptar uno de un máximo de dos valores, de ahí que a la notación utilizada por los sistemas digitales en general se la llame notación binaria. La notación que nosotros utilizamos en nuestro día a día es la decimal debido a que usamos un conjunto de diez valores diferentes que van del 0 al 9, y no solo dos valores (0 y 1), como la notación binaria.

La unidad mínima de información en computación cuántica es el cúbit, qubit o bit cuántico, que tiene una combinación de los estados cero y uno hasta el instante en el que medimos su valor y este colapsa hacia una opción u otra

Si llevamos a cabo el sencillo cálculo del que acabo de hablaros comprobaremos que con un conjunto de dos bits podemos codificar cuatro valores diferentes (22 = 4), que serían 00, 01, 10 y 11. Con tres bits nuestras opciones se incrementan a ocho valores posibles (23 = 8). Con cuatro bits obtendremos dieciséis valores (24 = 16), y así sucesivamente. Eso sí, un conjunto de bits determinado solo puede adoptar un único valor o estado interno en un instante dado. Es una restricción absolutamente razonable que parece tener un reflejo claro en el mundo que observamos porque una cosa es o no es, pero no puede tener ambas propiedades simultáneamente.

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Este principio tan evidente y básico, curiosamente, no se da en la computación cuántica. Y es que los qubits, que son la unidad mínima de información en esta disciplina, a diferencia de los bits no tienen un único valor en un momento dado; lo que tienen es una combinación de los estados cero y uno simultáneamente. Pueden tener mucho de estado cero y poco de estado uno. O mucho de estado uno y poco de estado cero. O lo mismo de ambos. O cualquier otra combinación de estos dos estados que se os ocurra.

La física que explica cómo se codifica el estado cuántico de un qubit es compleja. No es necesario que profundicemos en esta parte para seguir adelante con el artículo, pero sí es interesante que sepamos que el estado cuántico está asociado a características como el espín de un electrón, que es una propiedad intrínseca de las partículas elementales, al igual que la carga eléctrica, derivada de su momento de rotación angular.

Estas ideas no resultan intuitivas, pero tienen su origen en uno de los principios fundamentales de la mecánica cuántica, conocido como principio de superposición de estados. Y es esencial porque en gran medida explica el enorme potencial que tienen los procesadores cuánticos. En un ordenador clásico la cantidad de información que podemos codificar en un estado concreto utilizando n bits tiene tamaño n, pero en un procesador cuántico de n qubits un estado concreto de la máquina es una combinación de todas las posibles colecciones de n unos y ceros.

El enorme potencial que tienen los ordenadores cuánticos se explica en gran medida gracias al principio de superposición de estados

Cada una de esas posibles colecciones tiene una probabilidad que nos indica, de alguna forma, cuánto de esa colección en particular hay en el estado interno de la máquina, que está determinado por la combinación de todas las posibles colecciones en una proporción concreta indicada por la probabilidad de cada una de ellas. Como veis, esta idea es algo compleja, pero podemos intuirla si aceptamos el principio de superposición cuántica y la posibilidad de que el estado de un objeto sea el resultado de la ocurrencia simultánea de varias opciones con distinta probabilidad.

Una consecuencia muy importante de esta propiedad de los ordenadores cuánticos es que la cantidad de información que contiene un estado concreto de la máquina tiene tamaño 2n, y no n, como en los ordenadores clásicos. Esta diferencia es esencial y explica el potencial de la computación cuántica, pero también puede ayudarnos a intuir su complejidad, en la que indagaremos un poco más adelante.

Si en un ordenador clásico pasamos de trabajar con n bits a hacerlo con n+1 bits estaremos incrementando la información que almacena el estado interno de la máquina en un único bit. Sin embargo, si en un ordenador cuántico pasamos de trabajar con n qubits a hacerlo con n+1 qubits estaremos duplicando la información que almacena el estado interno de la máquina, que pasará de 2n a 2n+1. Esto significa, sencillamente, que el incremento de la capacidad de un ordenador clásico a medida que introducimos más bits es lineal, mientras que el de un ordenador cuántico a medida que incrementamos el número de qubits es exponencial.

Conexionequipocuantico Los técnicos de esta fotografía son James Clarke y Lieven Vandersypen, y en este momento estaban conectando el procesador cuántico de Intel de 49 qubits a la «placa base» del ordenador cuántico.

Ya sabemos que el bit y el qubit son las unidades mínimas de información que manejan los ordenadores clásicos y cuánticos, por lo que podemos dar un paso más hacia delante y repasar cómo hacemos operaciones con ellos. Los elementos que nos permiten operar con bits en los ordenadores clásicos son las puertas lógicas, que implementan las operaciones lógicas del Álgebra de Boole. Este último es una estructura algebraica diseñada para trabajar sobre expresiones de la lógica proposicional, que tienen la peculiaridad de que solo pueden adoptar uno de dos posibles valores, cierto o falso, de ahí que este álgebra sea también perfecta para llevar a cabo operaciones en sistemas digitales binarios, que, por tanto, también pueden adoptar en un instante dado solo uno de dos valores posibles: 0 o 1.

La operación lógica AND implementa el producto; la operación OR, la suma, y la operación NOT invierte el resultado de las otras dos, con las que puede combinarse para implementar las operaciones NAND y NOR. Estas, junto con la operación de suma exclusiva (XOR) y su negación (XNOR) son las operaciones lógicas básicas con las que trabajan a bajo nivel los ordenadores que todos utilizamos actualmente. Y con ellas son capaces de resolver todas las tareas que llevamos a cabo.

Algunas de las puertas lógicas cuánticas utilizadas por los ordenadores cuánticos para llevar a cabo operaciones son CNOT, Pauli, Hadamard, Toffoli o SWAP, entre otras, y es probable, y deseable, que diseñemos más en el futuro

Podemos navegar en Internet, escribir textos, escuchar música y jugar con videojuegos, entre muchas otras posibles aplicaciones, gracias a que el microprocesador de nuestro ordenador es capaz de llevar a cabo estas operaciones lógicas. Cada una de ellas nos permite modificar el estado interno de la CPU, de manera que podemos definir un algoritmo como una secuencia de operaciones lógicas que modifican el estado interno del procesador hasta que alcance el valor que nos ofrece la solución a un problema dado.

Un ordenador cuántico solo nos resultará de utilidad si nos permite llevar a cabo operaciones con los qubits, que, como hemos visto, son las unidades de información que maneja. Nuestro objetivo es utilizarlos para resolver problemas, y el procedimiento para conseguirlo es esencialmente el mismo que hemos descrito cuando hemos hablado de los ordenadores convencionales, solo que, en este caso, las puertas lógicas serán puertas lógicas cuánticas diseñadas para llevar a cabo operaciones lógicas cuánticas.

Sabemos que las operaciones lógicas que llevan a cabo los microprocesadores de los ordenadores clásicos son AND, OR, XOR, NOT, NAND, NOR y XNOR, y con ellas son capaces de llevar a cabo todas las tareas que hacemos con un ordenador hoy en día. Los ordenadores cuánticos no son muy diferentes, pero en vez de utilizar estas puertas lógicas usan las puertas lógicas cuánticas que hemos conseguido implementar actualmente, que son CNOT, Pauli, Hadamard, Toffoli o SWAP, entre otras.

No vamos a profundizar en su base matemática porque es compleja y no es necesario que la conozcamos para entender las ideas básicas de este artículo, pero es interesante saber que las puertas lógicas cuánticas se representan bajo la forma de matrices. De esta manera, para calcular el resultado que obtendremos en la salida de la puerta cuántica tenemos que efectuar el producto de la matriz y el vector que representa el estado interno en un instante dado de nuestro ordenador cuántico.

Este es su estado actual y estos son los problemas que podemos resolver

Si diseñamos un algoritmo que recurre a una secuencia dada de operaciones lógicas cuánticas podremos ir modificando el estado interno de nuestro ordenador cuántico hasta obtener el resultado del problema que le hemos planteado inicialmente. Esta estrategia, como veis, es idéntica a la que utilizamos en los ordenadores clásicos. Sin embargo, sabemos que debido al principio de superposición un bit cuántico adopta varios valores simultáneamente, por lo que al realizar una operación lógica cuántica a partir de varios bits cuánticos no obtendremos un único resultado; llegaremos simultáneamente a múltiples resultados como consecuencia de la multiplicidad de estados que adoptan los bits involucrados en la operación lógica cuántica.

La capacidad de los ordenadores cuánticos se incrementa exponencialmente a medida que somos capaces de llevar a cabo operaciones con más qubits

Estamos retomando una vez más la idea que hemos desarrollado unos párrafos más arriba, cuando vimos que la capacidad de cálculo de los ordenadores cuánticos se incrementa exponencialmente a medida que somos capaces de llevar a cabo operaciones con más qubits. Y esto nos permite llegar a una primera conclusión con la que llevamos coqueteando desde los primeros párrafos del artículo: los ordenadores cuánticos son más potentes que los clásicos en la medida en que cada una de las operaciones lógicas que podemos llevar a cabo con ellos nos devuelve más resultados que una operación lógica clásica. Y esta capacidad se va acumulando a medida que llevamos a cabo más y más operaciones lógicas cuánticas hasta completar la secuencia establecida por nuestro algoritmo para resolver un problema concreto, lo que marca una diferencia enorme con la computación clásica.

Hasta aquí todo pinta muy bien, pero hay dos razones de mucho peso que explican por qué la computación cuántica aún no ha arrasado con la computación tradicional. Lo lógico sería pensar que si la primera es tan eficiente debería haber conseguido desplazar a la computación clásica e imponerse con una claridad aplastante en muchos escenarios de uso. Y no ha sido así. Al menos aún. La primera razón es que por el momento tenemos pocos algoritmos cuánticos porque estas máquinas son muy difíciles de programar, y, por tanto, aún somos capaces de resolver pocos problemas recurriendo a la computación cuántica.

La segunda razón consiste en que es muy difícil preservar el estado de un sistema cuántico debido a que la superposición se rompe con facilidad a causa de la decoherencia cuántica. Antes de que veamos en qué consiste este fenómeno necesitamos introducir un concepto más que no es otra cosa que una propiedad esencial de los sistemas cuánticos: el entrelazamiento. Este fenómeno no tiene un equivalente en la física clásica, y consiste en que el estado de los sistemas cuánticos involucrados, que pueden ser dos o más, es el mismo.

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Esto significa que estos objetos, en realidad, forman parte de un mismo sistema, incluso aunque estén separados físicamente. De hecho, la distancia no importa. Si dos partículas, objetos o sistemas están entrelazados mediante este fenómeno cuántico, cuando midamos las propiedades físicas de uno de ellos estaremos condicionando instantáneamente las propiedades físicas del otro sistema con el que está entrelazado. Incluso aunque esté en la otra punta del Universo. Suena a ciencia ficción, es verdad, pero por muy extraño y sorprendente que nos parezca este fenómeno se ha comprobado empíricamente. De hecho, es, junto a la superposición de estados de la que hemos hablado, uno de los principios fundamentales de la computación cuántica.

La decoherencia cuántica provoca que la superposición de estados se rompa con facilidad

Volvamos ahora a la decoherencia cuántica. Este fenómeno se produce cuando desaparecen las condiciones necesarias para que un sistema que se encuentra en un estado cuántico entrelazado se mantenga. Una forma quizá un poco más sencilla de describirlo consiste en verlo como un sistema que deja de comportarse como dictan las reglas de la mecánica cuántica cuando se dan unas condiciones determinadas, pasando a comportarse a partir de ese instante como dictan las reglas de la física clásica.

Cuando aparece la decoherencia cuántica desaparecen los efectos cuánticos. Y, por tanto, también las ventajas que acarrean en el contexto de la computación cuántica. Este fenómeno es muy importante porque nos ayuda a entender por qué muchos sistemas físicos macroscópicos no exhiben efectos cuánticos. O, lo que es lo mismo, por qué en nuestro entorno cotidiano no podemos observar los contraintuitivos efectos de la mecánica cuántica.

Si tenemos presente lo que acabamos de ver podemos intuir que si se ven afectadas la superposición y el entrelazamiento como consecuencia de la decoherencia del sistema cuántico involucrado en el funcionamiento de un ordenador cuántico, se producirán errores y los algoritmos no nos devolverán los resultados correctos. Los estados cuánticos se mantienen durante un periodo de tiempo limitado, y este tiempo es, precisamente, el que tenemos para llevar a cabo operaciones lógicas cuánticas con los qubits de nuestro ordenador. Además, a medida que añadimos qubits más difícil es mantener bajo control los errores preservando el estado cuántico del sistema.

Para evitar que la energía térmica introduzca perturbaciones que provoquen un cambio de estado espontáneo en los qubits es necesario mantener los ordenadores cuánticos a una temperatura cercana al cero absoluto

Para evitar que los qubits cambien de estado cuántico de forma espontánea como consecuencia de las perturbaciones introducidas por la energía térmica los ordenadores cuánticos actuales trabajan a una temperatura extremadamente baja. De hecho, está muy cerca del cero absoluto, que es -273,15 grados centígrados. La temperatura de trabajo de los equipos cuánticos que tienen compañías como Intel o IBM es de unos 20 milikelvin, que son aproximadamente -273 grados centígrados, lo que nos permite intuir que el sistema de refrigeración que es necesario poner a punto para alcanzar y mantener una temperatura tan extremadamente baja es complejo.

La importancia de trabajar a una temperatura lo más cercana posible al cero absoluto reside en que en este estado la energía interna del sistema es la más baja posible, lo que provoca que las partículas fundamentales carezcan de movimiento según los principios de la mecánica clásica. No obstante, aunque seamos capaces de alcanzar el cero absoluto seguirá existiendo una energía residual, conocida en mecánica cuántica como energía del punto cero, que es el nivel de energía más bajo que puede tener un sistema físico.

Fuente: Xataka

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