Qubits: la base de los or­de­na­do­res cuánticos

Los bits son para los or­de­na­do­res clásicos lo que los qubits (cúbits, en español) son para los or­de­na­do­res cuánticos. A di­fe­re­n­cia de los bits binarios, los cúbits pueden estar en el estado 1 y 0 si­mu­l­tá­nea­me­n­te hasta el momento de medición de datos. Se espera que esta propiedad mecánica cuántica elemental re­vo­lu­cio­ne las te­c­no­lo­gías in­fo­r­má­ti­cas y permita obtener or­de­na­do­res cuánticos con un re­n­di­mie­n­to millones de veces superior al de los or­de­na­do­res clásicos.

El futuro de la in­fo­r­má­ti­ca está escrito en cúbits. Detrás de esta críptica palabra se encuentra la unidad de cálculo básica y más pequeña posible de la co­mpu­tación cuántica, el “bit cuántico”. Esta unidad es muy diferente del conocido bit de nuestros or­de­na­do­res actuales. Los cúbits se definen como sistemas cuánticos de dos estados, es decir, que pueden asumir dos estados si­mu­l­tá­nea­me­n­te. Co­n­s­ti­tu­yen la base elemental de los or­de­na­do­res cuánticos.

Para entender cómo funcionan los cúbits, primero hay que co­m­pre­n­der tres pri­n­ci­pios ese­n­cia­les de la mecánica cuántica:

• La su­pe­r­po­si­ción se aplica a los sistemas cuánticos que pueden asumir dos estados al mismo tiempo. Esto se puede entender fá­ci­l­me­n­te mediante el sistema binario: en lugar de 1 o 0, los sistemas cuánticos pueden asumir 1 y 0, así como muchos otros estados in­te­r­me­dios de forma si­mu­l­tá­nea. Pero solo hasta el momento de medir los datos.
• El en­tre­la­za­mie­n­to cuántico nombra un fenómeno de la mecánica cuántica que Albert Einstein describió como una “es­pe­lu­z­na­n­te acción a distancia”. Se trata de dos o más pa­r­tí­cu­las que se enredan entre sí y crean un sistema global conectado en lugar de estados in­di­vi­dua­les definidos. Si se realizan cambios en una partícula, éstos tienen efecto en las pa­r­tí­cu­las del sistema co­ne­c­ta­das.
• El colapso cuántico es el momento en el que los sistemas que estaban en una su­pe­r­po­si­ción in­de­fi­ni­da “colapsan” a través de la medición u ob­se­r­va­ción. Así, pasan a un estado definido como 1 o 0.

Los cúbits exhiben los tres pri­n­ci­pios previos y, por tanto, se en­cue­n­tran en la in­fo­r­má­ti­ca cuántica. También son la razón por la que gobiernos y empresas como IBM, Google y Microsoft tienen grandes es­pe­ra­n­zas en los or­de­na­do­res cuánticos. Aunque los or­de­na­do­res cuánticos prácticos están todavía muy lejos, se espera que los cúbits abran po­si­bi­li­da­des ini­ma­gi­na­bles para el re­n­di­mie­n­to y nuestra co­m­pre­n­sión de los or­de­na­do­res.

El bit tiene algo en común con el bit cuántico: ambos son la unidad de cálculo y al­ma­ce­na­mie­n­to más pequeña de sus re­s­pe­c­ti­vos sistemas in­fo­r­má­ti­cos. Sin embargo, ahí acaban las si­mi­li­tu­des, porque a di­fe­re­n­cia de la unidad de medida binaria de los or­de­na­do­res clásicos, el bit cuántico es una unidad de medida mecánica cuántica. Pero, ¿qué significa exac­ta­me­n­te?

Lo primero que hay que entender es cómo funciona el bit. Como muy tarde, desde que la serie de películas “Matrix” acercó a un público de millones de personas temas complejos como la in­te­li­ge­n­cia ar­ti­fi­cia­le y las si­mu­la­cio­nes in­fo­r­má­ti­cas, muchos también están fa­mi­lia­ri­za­dos con los unos y ceros binarios. Un bit se basa en el código binario y re­pre­se­n­ta la unidad más pequeña de datos en las te­c­no­lo­gías digitales. Los bits pueden asumir el estado 1 (“true/on”) o 0 (“off/false”).

Sin embargo, los bits cuánticos no se basan en un código binario, por lo que no tienen que “decidir”. Desde el punto de vista del concepto mecánico cuántico de su­pe­r­po­si­ción, un cúbit se encuentra si­mu­l­tá­nea­me­n­te en el estado 1 y 0. Además, puede asumir numerosos estados in­te­r­me­dios, como “un tercio de 0” o “dos tercios de 1”. Solo en el momento de la medición, los cúbits asumen un estado binario definido debido al colapso cuántico.

Las pro­pie­da­des mecánicas cuánticas de los cúbits mu­l­ti­pli­can eno­r­me­me­n­te la capacidad de cálculo de los or­de­na­do­res cuánticos en co­m­pa­ra­ción con los clásicos. Incluso con 2 a la potencia de 500 bits, no es posible procesar la misma cantidad de datos que 500 cúbits pueden manejar sin esfuerzo. A su vez, 31 cúbits co­rre­s­po­n­den ya a un tamaño de memoria de 32 GB. Con cada cúbit adicional, las unidades de al­ma­ce­na­mie­n­to de datos se duplican.

Otro ejemplo: un ordenador que solo calcula con bits ne­ce­si­ta­ría varios millones de años para calcular los factores primos de un número de 2050 bits. Los or­de­na­do­res cuánticos completan este tipo de tareas en pocos minutos re­so­l­vié­n­do­las si­mu­l­tá­nea­me­n­te en lugar de una tras otra. Se espera que estas ventajas evidentes sean re­vo­lu­cio­na­rias para el pro­ce­sa­mie­n­to y el análisis de grandes y complejas ca­n­ti­da­des de datos.

Para que los cúbits puedan uti­li­zar­se en los or­de­na­do­res cuánticos, hay que ge­ne­rar­los. Mientras que los chips de silicio suelen uti­li­zar­se para procesar los bits clásicos, los or­de­na­do­res cuánticos requieren nuevas te­c­no­lo­gías. Para ello, se cue­s­tio­nan varios métodos. Por ejemplo, se “atrapan” iones en campos elé­c­tri­cos ma­g­né­ti­cos o se utilizan fotones, cua­si­pa­r­tí­cu­las y átomos ar­ti­fi­cia­les y reales. En el caso de las trampas de iones, los cúbits también se miden con radiación de mi­croo­n­das. Google utiliza chips cuánticos en los que las co­rrie­n­tes que fluyen en un círculo re­pre­se­n­tan cada una un cúbits. También en este caso, los cúbits se miden mediante radiación de mi­croo­n­das.

El uso de cúbits en los or­de­na­do­res cuánticos no solo ofrece un re­n­di­mie­n­to mucho mayor. También se necesita nuevo hardware, software y nuevos enfoques de pro­gra­ma­ción para procesar los cúbits que se leen y almacenan en las redes cuánticas. Al tratarse de sistemas cuánticos muy volátiles, se necesitan or­de­na­do­res que conecten los bits cuánticos de forma fiable y por millones.

Otro aspecto esencial de la actual te­c­no­lo­gía de or­de­na­do­res cuánticos es la re­fri­ge­ra­ción adecuada. Como en todos los sistemas in­fo­r­má­ti­cos, la ge­ne­ra­ción de cúbits potentes genera calor. Por tanto, para un re­n­di­mie­n­to óptimo y seguro, los or­de­na­do­res cuánticos deben enfriarse cerca de la te­m­pe­ra­tu­ra cero absoluta (-273,15 grados Celsius).

Pasarán años antes de que los or­de­na­do­res cuánticos prácticos se utilicen en la vida cotidiana. Esto requerirá nuevas te­c­no­lo­gías y un re­pla­n­tea­mie­n­to del fu­n­cio­na­mie­n­to de los or­de­na­do­res. Cuando llegue ese momento, los cúbits ofrecerán numerosas ventajas para diversos fines. Entre ellas se en­cue­n­tran:

• Comercio ele­c­tró­ni­co
• Cri­p­to­gra­fía
• In­ve­s­ti­ga­ción médica
• Pro­ce­sa­mie­n­to, al­ma­ce­na­mie­n­to y eva­lua­ción de big data y dark data
• In­te­li­ge­n­cia ar­ti­fi­cial (AI)
• Machine learning o apre­n­di­za­je au­to­má­ti­co
• Data mining potente y eficaz.
• Si­mu­la­cio­nes cuánticas
• Creación de modelos fi­na­n­cie­ros complejos
• Te­c­no­lo­gías in­te­li­ge­n­tes
• Co­n­du­c­ción autónoma
• In­ve­s­ti­ga­ción ae­roe­s­pa­cial

Si se cree a grandes empresas in­te­r­na­cio­na­les como IBM, Google y Microsoft, la llegada de los primeros or­de­na­do­res cuánticos prácticos es solo cuestión de tiempo. In­ve­r­sio­nes mi­llo­na­rias y empresas dedicadas como Google AI o D-Wave son la prueba de que la co­mpu­tación cuántica es el futuro. El “Eagle” de IBM, con 127 cúbits, es ac­tua­l­me­n­te uno de los or­de­na­do­res cuánticos más potentes.

Google AI, por su parte, anunció el 23 de octubre de 2019 que el chip Sycamore de Google resolvió por primera vez tareas en las que los mejores su­pe­ro­r­de­na­do­res fra­ca­sa­ron. Un hito conocido como “Su­pre­ma­cía Cuántica”. Sin embargo, harán falta nuevas te­c­no­lo­gías, software y lenguajes de pro­gra­ma­ción antes de que la su­pe­rio­ri­dad total de los or­de­na­do­res cuánticos sea evidente.