Así funciona el ordenador cuántico: esto haremos con sus aplicaciones

Así funciona el ordenador cuántico: tu padre puede tener bigote y no tenerlo a la vez

ordenador cuanticoA lo largo de los últimos años se ha hablado mucho del ordenador cuántico. Se ha dicho de todo sobre ellos: que no son binarios, que consumirán mucha energía, que traerán la inteligencia artificial… Incluso se los ha llamado la “amenaza cuántica” capaz de derribar a bitcoin. Sin embargo, prácticamente nadie conoce sus entrañas.

¿Cómo funciona un ordenador cuántico? ¿Cómo hacen lo que se supone que hacen? Estamos seguros de que tienen un gran potencial, pero hemos de ser honestos: casi nadie entiende su mecánica. Para ello hace falta estudiar física. Ocurre como con la teoría de la relatividad general. Vamos a intentar arrojar algo de luz sobre ello.

El límite de la computación tradicional

Desde que empezamos a usar ordenadores de manera masiva, hemos observado dos hechos interesantes. El primero de ellos es la reducción del coste de almacenamiento y computación. El segundo, la capacidad de los ordenadores, que han ido duplicando el número de transistores cada 24 meses (aproximadamente).

A esto se lo ha llamado Ley de Moore porque fue Gordon Moore quien dijo, en 1965, que cada año se duplicaría la potencia de los ordenadores. Hacia 1975, consciente de algunas limitaciones tecnológicas, amplió a dos años su cálculo. Sin embargo, hay un verdadero límite físico a la miniaturización de los transistores.

Un transistor es una pieza básica de la computación que ejecuta una operación matemática. Si queremos realizar muchas operaciones a la vez, necesitamos un gran número de transistores. Por ejemplo, abajo se muestran las puertas de tipo OR y AND que realizan las operaciones matemáticas (a+b) y (a*b), respectivamente. Lo que hay dentro de los círculos son transistores.

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Un transistor no es sino un interruptor eléctrico muy pequeño. Puede estar abierto o cerrado; dejar pasar la electricidad, o no hacerlo. Estos interruptores, en la actualidad, miden cerca de 14 nm. Hemos llegado a un nivel tecnológico en que los transistores están formados por unos pocos átomos. Y eso nos da problemas.

¿Y si usamos los ‘problemas’ cuánticos en nuestro provecho?

El problema de hacer más y más pequeños los transistores es que los electrones que circulan por ellos pueden ser capaces de salirse de su camino y aparecer en cualquier otra parte. Las personas o los objetos cotidianos como las tazas no se volatilizan en mitad del aire con un sonoro ‘puf’ para aparecer más allá, pero a escala cuántica esto es precisamente lo que le pasa a los electrones.

A esto se le llama quantum tunneling o efecto túnel, y puede ser bastante molesto. Además de violar los principios de la mecánica clásica (pobre Newton), hace imposible que hagamos más pequeños los transistores.

El problema viene porque lo que para el electrón como partícula debería suponer una barrera física, para el electrón como onda no es obstáculo, pues es capaz de atravesarla. El electrón es, a la vez, una partícula bariónica y una onda. ¿Y si usamos este hecho para construir otro tipo de ordenadores?

Qubits, unidades de los ordenadores cuánticos

El ordenador de tu trabajo, la tablet o el móvil que tienes en la mano (lo tienes en la mano, ¿verdad?) usan bits. Los bits son las unidades más pequeñas de información posible en nuestros procesadores. Ocho bits forman un byte, y 1.028 bytes forman un kB. MB, GB, TB… ¿Te suena? Pues a los ordenadores cuánticos no. Ellos usan qubits.

Un bit puede valer 0 o 1, y un qubit puede valer {0} = [1 0] y {1} = [0 1]. Mientras que el qubit no sea observado, puede valer tanto {0} como {1} porque se encuentra en una superposición de estados. No se puede predecir cuál de los dos será, pero al observarlo el valor ‘colapsa’ (se dice así) en un {0} o en un {1}.

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NOTA: un qubit no se parece ni remotamente a esto, pero nos ayuda a ilustrar la superposición de varios estados.

Esto puede resultar complejo y contraintuitivo porque los objetos que tenemos controlados (una mesa, la pantalla de tu ordenador o tu padre) no son una superposición de estados cuánticos. O, mejor dicho, lo son pero no lo parecen a nuestra escala. No hacen cosas raras como atravesar la pared o desaparecer.

Piensa en tu padre: o tiene bigote o no tiene bigote. Tu padre es un bit de información con respecto a su mostacho, y que tenga o no bigote no depende del observador. Los qubits, sin embargo, funcionan exactamente así. Hasta que alguien no los mira, cualquiera de los dos valores binarios son posibles.

LAS POSIBILIDADES QUE TIENE

Imagina las posibilidades, esto da mucho juego. Dos bits pueden tener cuatro estados diferentes (0 0, 0 1, 1 0 o 1 1) pero solo se puede elegir uno de ellos a cada instante. Dos qubits pueden tener todos estos estados, a la vez, siempre y cuando se encuentren aislados de los otros qubits. Esto es así porque la propiedad de entrelazamiento cuántico se desvanece cuando los átomos forman parte de otras estructuras.

Tiene unas ventajas enormes. Mientras que con 50 bits podemos almacenar unas 7 letras en formato básico, con 50 qubits tenemos 50 TB de capacidad. Hemos usado las propiedades cuánticas del universo para hacer trampas dentro de los ordenadores cuánticos. Pero es muy costoso.

el estado de un qubit en un ordenador cuántico

El mero hecho de observar un qubit determina su estado. Esto significa que para que funcione como debe no podemos observar qué pasa dentro del ordenador. De nuevo, contraintuitivo, pero ocurre del mismo modo en que Schrödinger no sabía si el gato de su experimento mental estaba vivo o muerto. Si abría la caja, seguro que lo descubría, pero si la mantenía cerrada ambas opciones eran posibles.

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El problema es que los qubits tienen más demandas que un gato ficticio, como las bajas temperaturas y condiciones de vacío. Para un qubit ser “observado” no implica que haya ojos a su alrededor (como los de las científicas Hanhee Paik y Sarah Sheldon, arriba), sino que no pueden golpearles otras partículas. Un solo fotón podría hacer añicos un ordenador cuántico, por ejemplo. Son máquinas terriblemente sensibles.

¿PARA qué usaremos el ordenador cuántico?

Uno de los primeros usos en los que se pensó fue en seguridad informática. Tanto como defensa, para construir mejores sistemas, como en ataque, y usar la “fuerza bruta” de los ordenadores cuánticos para romper claves. La potencia exponencial de los ordenadores cuánticos nos abre ambas puertas: sistemas más seguros y palancas virtuales de mayor longitud.

Otro sector que puede aprovechar los recursos del entrelazamiento cuántico son las simulaciones de ordenador. Los videojuegos o las aplicaciones de realidad aumentada son un tipo de simulación. Gracias a la superposición de estados, podemos calcular más resultados con los mismos recursos energéticos.

El bitcoin estaría de enhorabuena si los ordenadores cuánticos no vulneraran algunas de sus funciones, como hemos señalado en la introducción del artículo. Sin embargo, quedan innumerables criptomonedas, tokens e ICOs que pueden aprovechar los ordenadores cuánticos.

Hoy se cree que el ordenador cuántico personal podría suponer una revolución similar al ordenador personal del siglo pasado o al smartphone en el presente siglo. Cualquier problema moderno parece poder resolverse usando la computación cuántica. Solo hay una forma de comprobarlo: invirtiendo en investigación y desarrollo.

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Imágenes | iStock/Rost-9D, EBatlleP (CC BY-SA 3.0), EBatlleP (CC BY-SA 3.0), iStock/agsandrew, IBM España