Quantum Computing: los su­pe­ro­r­de­na­do­res del futuro

La co­mpu­tación cuántica pretende re­vo­lu­cio­nar las te­c­no­lo­gías in­fo­r­má­ti­cas con la ayuda de la mecánica cuántica. En or­de­na­do­res cuánticos, pri­n­ci­pios como la su­pe­r­po­si­ción o el en­tre­la­za­mie­n­to cuántico se uti­li­za­rán en forma de cúbits y crearán or­de­na­do­res de alto re­n­di­mie­n­to prá­c­ti­ca­me­n­te ilimitado. Que los or­de­na­do­res cuánticos se co­n­vie­r­tan en realidad depende de ob­s­tácu­los te­c­no­ló­gi­cos como la in­te­r­co­ne­xión de cúbits y los modernos sistemas de re­fri­ge­ra­ción.

¿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.

¿Cómo funciona la in­fo­r­má­ti­ca cuántica?

La co­mpu­tación cuántica no es fácil de entender. En lugar de bits binarios, los or­de­na­do­res cuánticos utilizan cúbits (bits cuánticos) para resolver problemas ma­te­má­ti­cos y procesar conjuntos de datos. El clásico bit se basa en código binario.

Un bit solo puede asumir uno de dos estados: 1 o 0. Los cúbits, en cambio, funcionan de forma no binaria y asumen ambos estados si­mu­l­tá­nea­me­n­te: 1 y 0. En co­m­pa­ra­ción con los or­de­na­do­res de sistema binario, el enfoque mecánico cuántico mu­l­ti­pli­ca por millones el potencial de re­n­di­mie­n­to de los or­de­na­do­res cuánticos. Los cúbits no solo pueden asumir los estados 1 y 0 si­mu­l­tá­nea­me­n­te, sino también un número infinito de estados in­te­r­me­dios. Como los or­de­na­do­res cuánticos procesan la in­fo­r­ma­ción de forma si­mu­l­tá­nea, son capaces de resolver tareas complejas que son irre­so­lu­bles para los or­de­na­do­res clásicos.

Su­pe­r­po­si­ción y en­tre­la­za­mie­n­to cuántico

Una imagen sencilla para ilu­s­trar­lo: imagina el fu­n­cio­na­mie­n­to de los or­de­na­do­res clásicos y de los or­de­na­do­res cuánticos como el la­n­za­mie­n­to de una moneda. Los or­de­na­do­res clásicos dependen de cómo caiga la moneda. Así que solo pueden entender el estado cara (que re­pre­se­n­ta el 0) o cruz ( que re­pre­se­n­ta el 1). Los or­de­na­do­res cuánticos, en cambio, utilizan una moneda que nunca cae, sino que gira co­n­s­ta­n­te­me­n­te en el aire y siempre sale cara y cruz al mismo tiempo. Es decir, se encuentra en estado de su­pe­r­po­si­ción.

Solo después de realizar una medición, los cúbits asumen un estado binario. Imagina de nuevo la moneda flotante. Mientras nadie observe la moneda, gira en el aire y muestra cara y cruz al mismo tiempo. Si se realiza la ob­se­r­va­ción o la medición del estado, la moneda cae al suelo y muestra cara o cruz. Además, los cúbits de los or­de­na­do­res cuánticos están en­tre­la­za­dos entre sí. Es decir, si un cúbit cambia, los cúbits co­ne­c­ta­dos también cambian debido al en­tre­la­za­mie­n­to cuántico. Esto aumenta la velocidad de cálculo de los or­de­na­do­res cuánticos. A co­n­ti­nua­ción, varios cúbits se combinan en registros cuánticos de bits binarios para realizar ope­ra­cio­nes de cálculo.

¿Cuánta más potencia ofrecen los or­de­na­do­res cuánticos?

La ciencia y la industria tienen grandes es­pe­ra­n­zas en el re­n­di­mie­n­to de los or­de­na­do­res cuánticos. Algunos cie­n­tí­fi­cos esperan incluso que puedan uti­li­zar­se para simular el Big Bang y demostrar la exi­s­te­n­cia de universos paralelos. Una cosa es cierta: a pesar de los desafíos técnicos, los or­de­na­do­res cuánticos ofrecen un potencial ilimitado. Un cúbit, por ejemplo, tiene más del doble de capacidad de cálculo que un bit, ya que puede asumir si­mu­l­tá­nea­me­n­te los estados 1 y 0 y numerosos estados in­te­r­me­dios. Con cada cúbit adicional, la potencia de cálculo se mu­l­ti­pli­ca. Tres cúbits pueden asumir ocho estados en paralelo, 300 cúbits ya son dos a la potencia de 300 estados.

¿Cuáles son las ventajas y de­s­ve­n­ta­jas de la co­mpu­tación cuántica?

Posibles áreas de apli­ca­ción de los or­de­na­do­res cuánticos

Pasarán varios años antes de que los or­de­na­do­res cuánticos se utilicen en la práctica. Sin embargo, debido a sus ventajas para los sistemas de datos complejos y el pro­ce­sa­mie­n­to de datos, se pueden prever las si­guie­n­tes áreas de apli­ca­ción:

• Si­mu­la­cio­nes cuánticas para las ciencias naturales y la medicina
• Química cuántica y biología cuántica
• Creación de modelos fi­na­n­cie­ros complejos
• Op­ti­mi­za­ción de la in­te­li­ge­n­cia ar­ti­fi­cial y de los sistemas de au­to­apre­n­di­za­je
• Op­ti­mi­za­ción de las técnicas de cifrado en cri­p­to­gra­fía
• Te­c­no­lo­gías in­te­li­ge­n­tes, como redes, ciudades y casas in­te­li­ge­n­tes
• Co­n­du­c­ción autónoma
• Data mining
• Ae­roe­s­pa­cial

Ob­s­tácu­los técnicos para los or­de­na­do­res cuánticos

La principal razón por la que los or­de­na­do­res cuánticos están todavía en fase de de­sa­rro­llo son los re­qui­si­tos técnicos. Por ejemplo, los cúbits son sistemas cuánticos muy sensibles y volátiles. Para obtener los re­su­l­ta­dos más precisos posibles, los or­de­na­do­res cuánticos deben ser capaces de en­tre­la­zar de forma fiable millones de cúbits entre sí. Otro obstáculo: los or­de­na­do­res cuánticos solo pueden funcionar cerca de la te­m­pe­ra­tu­ra cero absoluta (-273,15 grados Celsius). Solo para enfriar los chips cuánticos actuales se necesitan días y sistemas de re­fri­ge­ra­ción de última ge­ne­ra­ción.

En co­m­pa­ra­ción con los al­go­ri­t­mos conocidos, los al­go­ri­t­mos cuánticos para resolver problemas complejos y para el pro­ce­sa­mie­n­to de datos se basan en fu­n­da­me­n­tos to­ta­l­me­n­te nuevos. Entre ellas, la formación de unidades de cálculo y al­ma­ce­na­mie­n­to mu­l­ti­di­me­n­sio­na­les y espacios de si­mu­la­ción, de los que no son capaces los or­de­na­do­res actuales. Por esta razón, se ne­ce­si­ta­rá nuevo hardware y software para que los or­de­na­do­res cuánticos traduzcan y procesen los conjuntos de datos en formas aptas para los cúbits. La forma de programar, así como los lenguajes de pro­gra­ma­ción, también tomarán nuevos caminos para cumplir con los pri­n­ci­pios de la mecánica cuántica.

¿En qué punto se encuentra la in­fo­r­má­ti­ca cuántica hoy en día?

El concepto de la co­mpu­tación cuántica apareció por primera vez en 1980, cuando el físico Paul Benioff describió una variante mecánica cuántica de la máquina de Turing. El físico teórico Richard Feynman y el ma­te­má­ti­co Yuri Manin fo­r­mu­la­ron fi­na­l­me­n­te el potencial de re­n­di­mie­n­to de los or­de­na­do­res cuánticos en co­m­pa­ra­ción con los clásicos a finales de los años 80. Desde entonces, el interés por los or­de­na­do­res cuánticos no ha dejado de crecer. Prueba de ello es que tanto los gobiernos como empresas, por ejemplo IBM, Google y Microsoft, están tra­ba­ja­n­do in­te­n­sa­me­n­te en la rea­li­za­ción de la co­mpu­tación cuántica e in­vi­r­tie­n­do millones.

IBM lanzó un ordenador cuántico de 20 cúbits en 2019. Google, por su parte, proclamó la co­n­se­cu­ción de la “Su­pre­ma­cía Cuántica” con el chip Sycamore el 23 de octubre de 2019 en una co­la­bo­ra­ción entre Google AI y la NASA. Se dice que Sycamore ha resuelto por primera vez tareas que ni siquiera los mejores su­pe­ro­r­de­na­do­res clásicos pueden resolver. En 2020, IBM anunció fi­na­l­me­n­te que había de­sa­rro­lla­do uno de los mayores or­de­na­do­res cuánticos llamado “Hu­m­mi­n­g­bi­rd” con 65 cúbits. En 2021, le siguió el modelo “Eagle” de IBM con 127 cúbits.

A pri­n­ci­pios de 2023 se pudo resolver otro gran problema de la co­mpu­tación cuántica: tra­n­s­fe­rir los datos de un ordenador cuántico de forma eficiente y coherente entre chips solía ser una tarea difícil, pero eso ha cambiado. Ahora, tras el avance logrado, puede obtenerse un po­r­ce­n­ta­je de éxito de hasta el 99,999993 % al tra­n­s­fe­rir los datos entre dos chips.

A pesar del constante de­sa­rro­llo de los su­pe­ro­r­de­na­do­res, todavía no se puede esperar que su­s­ti­tu­yan por completo a los or­de­na­do­res clásicos. Mucho más probable es un enfoque híbrido con una co­m­bi­na­ción de or­de­na­do­res clásicos y or­de­na­do­res cuánticos. Esto ofrece la ventaja de que los or­de­na­do­res cuánticos ofrecen re­su­l­ta­dos iniciales a partir de enormes ca­n­ti­da­des de datos, que antes los su­pe­ro­r­de­na­do­res clásicos, más precisos, pro­ce­sa­ban según el principio binario.