Un sistema cuántico es aquel en que los estados de sus partículas (o elementos) no son predecibles con certeza. Si tú dejas caer verticalmente una moneda y sabes su masa, el tiempo que tarda en llegar al suelo y la distancia hasta el suelo, puedes sabes la aceleración a la que está sometida. Si repites el mismo experimento bajo las mismas condiciones, te van a salir resultados muy parejos entre sí (g=9.81 m/s^2 en la superficie terrestre).

En un sistema cuántico no. Puede que un experimento te devuelva un valor y, acto seguido y bajo las mismas circunstancias, te devuelva otro para nada parecido al primero. Este estado que acabas de medir, además, puede ser una superposición del resto de estados posibles. Es por eso que los posibles resultados de una medición de un sistema cuántico se basen en probabilidades, es decir, qué opciones hay de que salga un determinado valor y qué rango de valores estamos barajando. Por eso, a priori, en la cuántica todos los valores son válidos y no lo son, al mismo tiempo, hasta que realizas la medida. El tema de la superposición cuántica es mejor asumirlo para no entrar en más detalles y seguir con el artículo.

El qubit reemplaza al bit

Esto, extrapolado al tema que nos ocupa, que es el de los ordenadores cuánticos, se puede aplicar a los qubits, que vienen a ser el equivalente a los bits en ordenadores clásicos. La computación clásica se fundamenta en los bits, es decir, los únicos dos estados posibles de una medición. Estos estados son 0 o 1, no hay más posibilidades, y no pueden darse 0 y 1 al mismo tiempo, o es uno o es otro. Al tener dos estados posibles, solo tendremos un resultado cierto, ya que ambos son excluyentes entre sí. Con un bit puede haber dos estados posibles, 0 o 1 (un resultado), con 2 bits puede haber 4 estados posibles, 0 o 1 para el primer bit, y de nuevo 0 o 1 para el segundo bit (dos resultados en total).

Los qubits son los análogos en computación cuántica y, extrapolando lo que hemos comentado en el párrafo anterior, un estado cuántico no puede ser predicho con certeza, por lo que con un qubit ahora tenemos como estados posibles 0 y 1 (dos resultados), ambos al mismo tiempo (superposición cuántica). Con dos qubit tendremos 0 y 1 para el primer qubit, más 0 y 1 nuevamente para el segundo, un total de 4 resultados. Generalizando, con los bits tenemos una relación de n:n (bits:resultados) mientras que con los qubit tenemos una relación de n:2^n (qubits:resultados).

Aquí es donde reside el gran potencial de cálculo de los ordenadores cuánticos, la relación qubit:resultados aumenta exponencialmente, mientras que la relación bit:resultados lo hace linealmente. Esto es, a partir de cierto número de qubits la capacidad de cálculo del ordenador cuántico se dispara respecto a la de un ordenador tradicional o clásico.

¿Qué es un cúbit?

La palabra ‘cúbit’ procede de la contracción de los términos en inglés quantum bit, o bit cuántico. 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. 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 (2^n). 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.

Además, el hecho de que un qubit contenga varios valores al mismo tiempo hace posible un paralelismo computacional, esto es, la posibilidad de computar de manera simultánea varias operaciones, mientras que un ordenador clásico solo puede hacerlas de una en una. Para poner un ejemplo, si queremos averiguar una contraseña con un ordenador clásico se emplea la fuerza bruta, es decir, probar una a una todas las posibles combinaciones carácter a carácter hasta que se dé con la buena. En un ordenador cuántico se sigue el mismo método pero no de uno en uno, sino de varios en varios y, además, al mismo tiempo. Esto implica que un algoritmo cuántico que utilice qubits como unidad fundamental de cómputo romperá cualquier cifrado actual en un abrir y cerrar de ojos.

En la actualidad se utiliza un cifrado RSA para mantener nuestra seguridad al navegar por la red. Este cifrado se basa en el algoritmo de Shor, que es un método para factorizar números enteros en productos de números primos. Hoy en día estos números son generados lo suficientemente grandes como para que por fuerza bruta sea inviable sacar nada, pero teóricamente la computación cuántica podría resolverlo sin despeinarse. De la frase anterior cabe destacar la palabra “teóricamente”, ya que ahora mismo no existen ordenadores cuánticos con esa capacidad, que se sepa, por lo que no ha podido probarse.

¿Qué es la informática cuántica?

Un fantasma recorre el mundo de la informática: la computación cuántica. Si todas las predicciones son correctas y los ordenadores cuánticos llegan algún día a ser comercializables, se supone que desencadenarán nada menos que una revolución tecnológica. Pero, ¿cómo funcionará esto? A través de las leyes de la mecánica cuántica. Entre ellas se encuentran tres principios en particular, que pueden describirse como los pilares de la computación cuántica:

• Superposición: se refiere a la capacidad de un sistema cuántico de asumir varios estados simultáneamente: 1 y 0 en lugar de 1 o 0.
• Entrelazamiento cuántico: describe un fenómeno mecánico cuántico en el que dos o más partículas están entrelazadas entre sí y forman un sistema global conectado; los cambios realizados en una partícula del sistema cuántico entrelazado afectan automáticamente a todas las partículas conectadas.
• Colapso cuántico: describe el momento en que los sistemas se miden en superposición y, por lo tanto, pasan a un estado definido: de 1 y 0 a 1 o 0.

Los ordenadores clásicos se basan en el principio eléctrico binario de “encendido/apagado” o “1/0”. Los ordenadores cuánticos, en cambio, utilizan estados no binarios, multidimensionales y de mecánica cuántica. A diferencia de los ordenadores clásicos, no resuelven los problemas uno tras otro, sino en paralelo y simultáneamente, incluso con entradas complejas. De este modo, deberían permitir una potencia de cálculo un millón de veces mayor y una reducción significativa en los tiempos de cálculo.

Si todo va según lo previsto, los ordenadores cuánticos supondrán un salto evolutivo tecnológico que se dejará sentir en todos los ámbitos relacionados con el procesamiento de datos complejos. Entre ellos se encuentran el comercio electrónico, la criptografía, la medicina, las transacciones financieras, así como el big data, la inteligencia artificial (IA) y el machine learning.

¿Qué ordenadores cuánticos existen en la actualidad?

Ya hemos visto algunas de las ventajas de los ordenadores cuánticos frente a los clásicos y ahora cabe preguntarse por los prototipos y desarrollos que se están llevando a cabo en este campo. Las grandes empresas de tecnología están desarrollando sus propios ordenadores cuánticos. Empresas como IBM, Intel y Google mantienen una especie de carrera por conseguir hacer viable un ordenador de estas características. La potencia de cálculo se basa en la cantidad de qubits que son capaces de manejar y ya hemos podido ver algunos modelos como Sycamore, el de Google, que con una capacidad de 54 qubits ha podido realizar un cálculo que un ordenador normal tardaría 10000 años en realizar, en tan solo 200 segundos. Intel, por otro lado, ha mostrado este mismo año 2020 su primer chip de control cuántico, Horse Ridge, surgido mediante una colaboración entre otras dos empresas del sector. Este chip permite la integración de procesadores cuánticos de hasta 128 qubits. Por otro lado, D-Wave ha propuesto a investigadores que utilicen sus ordenadores cuánticos para la lucha contra el covid-19.

Problemas de los ordenadores cuánticos

Hay muchas empresas metidas en este mundo, ya que aspira a sobrepasar por mucho la capacidad de cálculo de los ordenadores de hoy en día, pero cabe aclarar algunas cosas respecto a estos novedosos ordenadores. Si bien la capacidad de cómputo (lo que denominamos potencia de cálculo) se mide según los qubits que puede manejar cada QPU (Quantum Processing Unit, análogo a CPU), hay que dejar claro que estos ordenadores mantienen su funcionamiento siempre y cuando se cumplan ciertas condiciones. La más destacable es el hecho de que la temperatura que ha de mantenerse en el entorno cuántico debe ser muy cercana al cero absoluto. Esto implica que, en la actualidad, estos ordenadores sean grandes máquinas altamente aisladas térmicamente (adiabáticas) con una refrigeración acorde a las exigencias. Para mantener componentes cercanos al cero absoluto hoy en día se requiere de una refrigeración considerablemente grande y cara, en otras palabras: no es viable para su uso doméstico (de lo cual hablaremos más adelante). Para hacernos una idea, los ordenadores cuánticos de IBM funcionan con temperaturas que rondan los 0.015 K, es decir, los -273 grados centígrados. Recientemente se ha logrado mantener la integridad del sistema cuántico al aumentar la temperatura hasta 1.5 K, lo que significa un salto brutal desde los 0.015 K mencionados anteriormente.

El hecho de que se necesiten temperaturas tan bajas viene asociado a la cuántica, como no. Estos sistemas son altamente sensibles a perturbaciones, de manera que cada qubit debe tener un aislamiento casi perfecto del entorno que le rodea. Este aislamiento se consigue mediante superconductores, los cuales se consiguen, a su vez, al aplicar muy bajas temperaturas a ciertos materiales. Una perturbación, o interferencia, puede hacer que el estado del qubit en cuestión se modifique (por su alta sensibilidad), lo que conlleva a resultados erróneos y, obviamente, a un ordenador inservible en la práctica. Es por ello que se necesita de dicha refrigeración y, con ello, un gran espacio físico donde situar el ordenador. Curiosamente, esto recuerda a los inicios de los procesadores que hoy llevamos en nuestras manos (los SoCs de los smartphones), que antes ocupaban grandes salas y plantas completas de edificios, y además eran mucho menos potentes que los SoCs actuales.

El ordenador cuántico reemplazando al clásico

Visto todo lo anterior, terminamos preguntándonos si un ordenador cuántico puede reemplazar a un ordenador clásico. La computación cuántica comienza desde una base diferente a la clásica, su funcionamiento es radicalmente distinto y esto conlleva desarrollar una estructura que soporte todo este nuevo sistema de computación. Es necesario desarrollar algoritmos completamente nuevos para la resolución de problemas en ordenadores cuánticos, y por ello a corto o medio plazo no se prevé que reemplacen a los actuales. Es más, los ordenadores cuánticos que hay a día de hoy son capaces de resolver problemas muy concretos, no tienen nada que hacer frente a los tantos años de desarrollo que llevamos con la computación clásica, por lo que no, de momento no cabe imaginarlos en nuestras casas. A corto o medio plazo no se espera que sean útiles para la población de a pie, pero sí para investigaciones que requieran de cálculos interminables para los ordenadores normales.

De igual manera, en el tema de la seguridad informática apuntan bastante alto y, de desarrollarse según lo previsto, supondrán un cambio radical en este campo, proporcionando sistemas perfectamente seguros si se cumplen las condiciones de funcionamiento ideales (cosa no posible físicamente), aunque si no se cumplen seguirán suponiendo un avance inimaginable en la seguridad.

 ¿Por qué necesitamos ordenadores cuánticos?

Fuentes:

https://pronetic.geeknetic.es/Guia/1841/Ordenadores-Cuanticos-Todo-lo-que-necesitas-saber.html

https://www.ibm.com/es-es/topics/quantum-computing