Conceptos básicos: cómo funcionan los ordenadores cuánticos y hacia dónde se dirige la tecnología

Los fundamentos teóricos de la computación cuántica surgieron a lo largo del siglo XX, incluyendo la hipótesis cuántica de Planck (1900), el principio de incertidumbre (1927) y la desigualdad de Bell (1964). Las aplicaciones prácticas surgieron inicialmente en la década de 1980, cuando Richard Feynman propuso utilizar sistemas cuánticos para simular otros sistemas cuánticos, una tarea impracticable para los ordenadores clásicos. Esta idea impulsó el desarrollo de algoritmos cuánticos, como el algoritmo de Shor (1994), que demostró que los ordenadores cuánticos podían factorizar grandes números de manera eficiente, y el algoritmo de Grover (1996), también conocido como algoritmo de búsqueda cuántica. Paralelamente, el desarrollo de códigos cuánticos de corrección de errores por parte de Peter Shor y sus colegas supuso un avance significativo para hacer viable la computación cuántica. Desde el año 2000, se ha producido una intensa carrera para construir ordenadores cuánticos prácticos, con gigantes tecnológicos y nuevas empresas anunciando avances hacia la supremacía cuántica. Al igual que con la capacidad de los circuitos integrados, es posible que asistamos a un crecimiento exponencial de la capacidad de la computación cuántica (por ejemplo, el número de qubits en los chips se duplica aproximadamente cada 18 meses, según la ley de Rose).

Ordenadores cuánticos frente a ordenadores clásicos

Las computadoras cuánticas y las computadoras clásicas funcionan según principios fundamentalmente diferentes. Los ordenadores clásicos procesan la información utilizando transistores (o cualquier circuito digital) que almacenan datos en bits binarios. Estos bits solo pueden estar en uno de dos estados, 0 o 1, que corresponden a la ausencia o presencia de voltaje en la puerta del transistor. Este sistema de estado binario es simple y robusto, lo que garantiza que, cuando se mide el estado de un transistor, este mostrará claramente un 0 o un 1.

Por el contrario, los ordenadores cuánticos utilizan bits cuánticos, conocidos como qubits, que tienen cierta probabilidad de encontrarse en cada uno de los dos estados (designados |0⟩ y |1⟩) al mismo tiempo. Los qubits pueden funcionar en binario, ya que se pueden establecer en 0 o 1. Sin embargo, debido a su naturaleza cuántica, los qubits pueden hacer mucho más. Pueden existir en un estado de superposición, en el que encarnan aspectos tanto del 0 como del 1 simultáneamente. Este fenómeno se representa en la esfera de Bloch, donde, a diferencia de un bit clásico que solo puede estar en el polo norte o en el polo sur (que representan el 0 o el 1), un qubit puede estar en cualquier lugar de la superficie de la esfera, incluidos los polos:

En otra analogía, los bits clásicos pueden compararse con un sistema de pulgar hacia arriba o pulgar hacia abajo, en el que un pulgar apuntando hacia arriba representa un 1 y un pulgar apuntando hacia abajo representa un 0. Por otro lado, un qubit permite que el pulgar represente un valor incluso si no está completamente hacia arriba o hacia abajo. Por lo tanto, un pulgar colocado en un ángulo |ψ> que representa el estado del qubit, por ejemplo, un ángulo de 90 grados o de 35 grados (en todas las direcciones), también puede codificar información. Un pulgar colocado horizontalmente representa un |0⟩ y un |1⟩ al mismo tiempo.

Este paradigma permite que el qubit represente múltiples estados a la vez, lo que da lugar a resultados de medición probabilísticos en los que la probabilidad de medir un 0 o un 1 puede variar en función del estado del qubit.

¿Cuál es la ventaja?

La capacidad de existir en múltiples estados simultáneamente permite a los ordenadores cuánticos codificar y procesar información de formas que los ordenadores clásicos no pueden. Por ejemplo, mientras que un ordenador clásico con tres bits puede representar uno de los ocho estados posibles a la vez, un ordenador cuántico puede representar los ocho estados posibles simultáneamente en un estado de superposición. Este concepto (es decir, el paralelismo cuántico), junto con la interferencia cuántica (es decir, la interacción entre los estados dentro de una superposición), permite a los ordenadores cuánticos realizar ciertos cálculos mucho más rápido y con menos hardware que los ordenadores clásicos. Esta marcada diferencia en el procesamiento de datos es lo que distingue a los ordenadores cuánticos y tiene importantes implicaciones en el tipo de tareas y cálculos que pueden realizar de manera eficiente.

Además, los ordenadores cuánticos se benefician de otro concepto importante, el «entrelazamiento cuántico». El entrelazamiento en la computación cuántica permite que los qubits se interconecten, lo que les permite procesar y almacenar información de formas que superan las capacidades de los ordenadores clásicos. El entrelazamiento cuántico se produce cuando un grupo de qubits (denominados «qubits entrelazados») comparten un estado cuántico, de modo que sus propiedades se correlacionan. Supongamos que hay dos qubits entrelazados. Cuando un ordenador cuántico mide o cambia una propiedad de un qubit (por ejemplo, el espín, la posición o la polarización), cambia instantáneamente una propiedad del otro qubit, ya que sus propiedades y estados están correlacionados o entrelazados. Los ordenadores cuánticos pueden utilizar esta correlación instantánea para mejorar su potencia de procesamiento. Por ejemplo, esta interconexión facilita el paralelismo, lo que permite a los ordenadores cuánticos resolver problemas complejos de forma más eficiente al realizar múltiples cálculos simultáneamente. Además, el entrelazamiento mejora la precisión de los algoritmos cuánticos, lo que contribuye a una resolución de problemas más rápida y precisa en campos como la criptografía, la optimización y la ciencia de los materiales.

Ejemplo

Para ilustrar cómo el entrelazamiento puede mejorar la potencia de cálculo, consideremos el siguiente ejemplo:

En un ordenador clásico, duplicar el número de bits solo puede duplicar la potencia de procesamiento. Es decir, la potencia de cálculo crece linealmente en relación con el número de bits. Sin embargo, en la computación cuántica, esta relación es exponencial. Por lo tanto, añadir un qubit adicional a un ordenador de 60 qubits hará que el ordenador cuántico sea capaz de evaluar 260 estados de qubits simultáneamente.

Al igual que las puertas clásicas manipulan los bits de forma bien definida según la lógica booleana, las puertas cuánticas operan sobre los qubits utilizando puertas cuánticas, lo que permite el funcionamiento de los algoritmos cuánticos. Por lo tanto, las puertas cuánticas son análogas a los componentes básicos fundamentales de la computación cuántica y pueden considerarse como una versión cuántica de las «puertas lógicas» de la computación clásica. A diferencia de las puertas lógicas, las puertas cuánticas permiten operaciones más complejas y matizadas. Por ejemplo, mientras que las puertas clásicas aplican transformaciones deterministas a sus entradas, las puertas cuánticas introducen operaciones como el entrelazamiento y la superposición, lo que mejora el potencial computacional a través de comportamientos no clásicos.

Las puertas cuánticas pueden utilizarse en algoritmos cuánticos para organizar y realizar cálculos complejos utilizando qubits. Comprender cómo funciona un algoritmo cuántico ofrece una visión fascinante del poder de la computación cuántica. Inicialmente, la entrada a un ordenador cuántico suele consistir en un estado de superposición masivo, lo que significa que el sistema representa simultáneamente múltiples resultados potenciales. A continuación, varias puertas cuánticas pueden interactuar con todos estos estados potenciales a la vez gracias a la propiedad del paralelismo cuántico. Esta operación simultánea se complementa con la interferencia cuántica, que ajusta los coeficientes de estos estados, dando forma al proceso computacional.

¿Y ahora qué?

La tecnología de computación cuántica se acerca a un momento crucial en el que podría pasar de los laboratorios de investigación al uso público. Hasta ahora, los avances han sido rápidos, pero relativamente modestos en lo que respecta al consumo público. Algunas empresas e instituciones de investigación han desarrollado procesadores cuánticos incrementales y los han integrado en plataformas basadas en la nube a las que pueden acceder desarrolladores de todo el mundo. Esta accesibilidad permite experimentar con algoritmos cuánticos, sentando las bases para futuras aplicaciones. Además, a medida que estos procesadores aumentan su número de qubits y su estabilidad, y que mejora la corrección de errores, nos acercamos a un umbral en el que la computación cuántica podría empezar a tener un impacto en áreas como la criptografía, el modelado molecular complejo y los problemas de optimización.

Aunque la computación cuántica muestra un enorme potencial, sigue siendo difícil predecir cuándo estará disponible para su uso masivo. Este campo se encuentra aún en una fase incipiente y se enfrenta a importantes obstáculos técnicos, como la coherencia de los qubits, las tasas de error y su corrección, y el diseño de sistemas escalables. El calendario para su comercialización a gran escala es incierto, ya que es necesario superar estos retos fundamentales antes de que pueda integrarse de forma fiable y rentable en la tecnología cotidiana. Esta incertidumbre pone de relieve el carácter experimental y evolutivo de la tecnología de la computación cuántica, que busca pasar de las configuraciones experimentales a aplicaciones prácticas y destinadas al mercado masivo.

En próximos artículos exploraremos cómo las tecnologías de computación cuántica evolucionarán de forma iterativa y se irán incorporando gradualmente a la vida cotidiana.

Más allá de la serie binaria

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