La computación cuántica

¿Qué es la computación cuántica?

Hace tiempo, la computación cuántica o computadora cuántica era todavía una utopía.

Hoy existe y está en desarrollo. Pero, ¿qué es lo que pueden hacer los superordenadores cuánticos? ¿Cómo funcionan? ¿Cuántos existen? ¿Cómo son de rápidos? ¿Qué representa para el futuro de la informática y los sistemas computacionales?

Una de las primeras cosas que se debe olvidar para comprender la computación cuántica es el funcionamiento de las computadoras actuales. La computación cuántica deja a un lado los sistemas lógicos empleados por los sistemas informáticos actuales y utilizan el modelo de los estados del átomo para realizar sus procesos.

Los dispositivos y computadoras convencionales, como el que probablemente se esté utilizando para leer este artículo, resumen toda la información que procesan a lenguaje binario, es decir, que solo utilizan dos estados para los datos: 0 o 1.

Como si de un interruptor se tratara, los bits solo pueden estar encendidos o apagados. Toda la información en la computación actual se resume en una secuencia de ceros y unos, o encendido y apagado.

Los átomos tienen sus propias leyes

En cambio, los átomos tienen una curiosa cualidad, que es precisamente una de las propiedades que hacen increíble la computación cuántica. Esta cualidad es la superposición.

La superposición del átomo consiste en que un átomo puede adoptar un estado de 0 y de 1, pero además puede adoptar ambos estados al mismo tiempo. Estas computadoras cuánticas son capaces de probar, al mismo tiempo, todas las posibilidades que existen para la solución concreta de un problema, en lugar de probar todas las posibilidades una tras otra como se realizan actualmente.

Intuitivamente nos cuesta comprender esto, porque sabemos que una cosa no puede estar en dos lugares al mismo tiempo, sin embargo a nivel muy pequeño, del orden de los nanómetros, la realidad es muy distinta y los átomos se comportan según sus propias leyes. Estamos en el terreno de la Mecánica Cuántica.

Este cambio en el paradigma de la computación supone un enorme salto adelante en la potencia de computación, lo que permitiría realizar cálculos complejos que actualmente son inalcanzables incluso para los superordenadores.

En cierta forma, estas computadoras se acercarían más a la forma de operar de un cerebro humano, que piensa y razona integralmente.

La computadora cuántica y su difícil implementación

La computadora cuántica promete ser el próximo gran hito tecnológico y, como tal, el interés acerca de la revolución que va a suponer en nuestra sociedad crece exponencialmente. Pero, como toda gran promesa, escuchamos los ecos de su potencial impacto antes de verlo con nuestros propios ojos. Es necesario poner los pies sobre la tierra antes de sucumbir a los pronósticos más optimistas.

Las computadoras cuánticas requieren de un hardware muy preciso. Los componentes necesarios para su construcción son tan específicos que hay pocas empresas que los fabriquen. Su alto costo y los  tiempos de entrega extensos también contribuyen a su dificultad.

“Actualmente, no existen computadoras cuánticas en términos absolutos. La industria se encuentra en su etapa embrionaria, pero en pleno auge”, comenta Sal Bosman, fundador y CEO de Delft Circuits (una empresa holandesa centrada en el desarrollo de tecnología para monitorear y controlar cúbits o bits cuánticos).

Para que exista una computadora cuántica útil, son muchos los factores que deben funcionar en paralelo. El refrigerador (criogénico de temperatura ultrabaja), el procesador cuántico, el cableado, la electrónica… Por no hablar de un software que controle todo esto.

Bosman establece una comparativa que ayuda a comprender este proceso: “Utilizamos un software para hacer algo, como puede ser Adobe Photoshop. Este se ejecuta en un sistema operativo como Microsoft, que a su vez se ejecuta en un sistema integrado por computadora —por ejemplo, Dell—, que contiene un procesador Intel y todo el hardware periférico importante para funcionar”.

“Cada pieza individual es relativamente sencilla, incluso los cúbits”, asegura Chris Monroe, CEO de IonQ (una de las pocas compañías en el mundo que desarrolla tecnología para ejecutar circuitos cuánticos). “Es el sistema lo que tiene mayor complejidad. Hay tantos componentes interrelacionados que la dificultad está en el funcionamiento óptimo de todas las piezas en su conjunto”.

El principal problema de estas computadoras es una dificultad conceptual. Al intentar trasladar la teoría cuántica a un entorno real, el uso de estados computacionales cuánticos demasiado frágiles supone un reto difícil de superar. Según Antonio Córcoles, científico del IBM Research, los sistemas físicos que existen en la actualidad para procesar la información cuántica son bastante limitados.

 “El funcionamiento de estos sistemas requiere un nivel extremo de aislamiento de las fuentes de ruido y calor y debemos enfriarlos a temperaturas entre dos y tres órdenes de magnitud por debajo de la temperatura promedio del espacio exterior”, explica el científico.

Pero lograr enfriarlos es solo la primera parte, el siguiente desafío consiste en diseñar sistemas electrónicos que controlen la temperatura de la habitación. Además deben tener el suficiente rango dinámico, bajo ruido y baja latencia para establecer las puertas lógicas que descifran los algoritmos y protocolos que estos sistemas pueden ejecutar.

El rendimiento de los cómputos cuánticos sobre la nube supone nuevos retos. Se hace necesario caracterizar y calibrar con frecuencia los sistemas y controles debido a las pequeñas inestabilidades intrínsecas a estos sistemas. Y, fundamentalmente, deben proporcionar un ambiente criogénico estable a largo plazo.

“Todavía hay preguntas fundamentales de investigación que deben responderse sobre cómo funcionan estos dispositivos, cómo podemos mejorarlos y cómo podremos usarlos antes de hablar sobre su producción en masa” apunta Cócoles.

Para el desarrollo de esta tecnología, el apoyo del sector público es de vital importancia. En las universidades, el uso de leyes cuánticas para la computación es conocido para muchos investigadores y estudiantes en los departamentos de ciencia y tecnología. Y en sectores industriales se gestionan áreas con altos niveles de complejidad y trabajan expertos en diseño de sistemas y control de calidad necesarios para que un proyecto funcione.