La computación cuántica se asocia a un paradigma que va más allá de los paradigmas de computación convencionales que conocemos hasta ahora. Esta tecnología aplica principios de la física cuántica en el procesamiento de datos a través de un computador cuántico, capaz de resolver cálculos complejos en minutos.
La nueva era de la computación
Actualmente, los equipos de computación convencionales tienen mejoras a nivel de almacenamiento y procesamiento innovadores, como discos SSD o memorias RAM de gran capacidad. Sin embargo, con el paso del tiempo, surgen nuevas exigencias en todos los ámbitos que obligan a realizar avances a nivel tecnológico.
En este sentido, las organizaciones gubernamentales, universidades y grandes tecnológicas se encuentran investigando y desarrollando equipos que sean capaces de procesar gran cantidad de información con un margen mínimo de error, en tiempo récord. Dando paso a los computadores cuánticos.
La computación cuántica representa una nueva era de la informática, que impulsará el desarrollo de las ciencias, aprendizaje automático, compañías de fabricación entre otros. Pero antes de definir con propiedad cómo funcionan los ordenadores y procesadores cuánticos, se definirá qué es un computadora y cómo procesan los datos.
De acuerdo con IBM, la computación cuántica viene a resolver problemas, que los sistemas de computación actuales no pueden resolver o tomaría años. Es por esto que desarrollan computadoras cuánticas universales, que aplican fundamentos de mecánica cuántica para resolver cálculos complejos en minutos. Estos ordenadores cuánticos pasan por encima de las supercomputadoras, que son los equipos más potentes hasta ahora que realizan tareas de cálculo a mayor velocidad.
Fundamentos de la computación cuántica
Las computadoras actuales manejan y procesan los datos en función de datos binarios (cadenas de 0 y 1), un bit es un dígito binario que a su vez es la unidad mínima de medida, este solo admite ceros y unos, el equivalente a verdadero (1) o falso (0) o en electricidad voltaje alto o bajo.
Por otro lado, los computadores cuánticos procesan en bits cuánticos o qubits, estos pueden tomar valores de 1, 0 o 1 y 0 a la vez, pudiendo procesar mayor cantidad de información. Según las leyes de la física estos cúbits también pueden superponerse o entrelazarse.
Es decir que los principios de superposición y entrelazamiento de la física cuántica, permiten crear estados que escalan exponencialmente con el número de qubits.
- Superposición: Con el principio de superposición, se puede comparar el bit con un electrón o fotón en un campo magnético que puede adoptar el estado de espín acelerado o desacelerado. Siguiendo las leyes de la mecánica cuántica, el qubit entra en superposición cuando adopta los dos estados de 1 y 0 la vez. Es decir. mientras que dos bits representan cuatro estados: 00, 01,10,11, pero solo puede tomar un estado a la vez, los dos qubits pueden tomar el valor de los cuatro estados generados a la vez.
- Entrelazamiento: En el principio de entrelazamiento, se refiere a que las partículas se mantienen interconectadas si ya interactuaron en algún momento. Este permite que se puedan entrelazar entre sí a través de un proceso de correlación. De acuerdo al estado del espín de una partícula entrelazada, se puede conocer que el de la partícula par está en el estatus contrario. Gracias a este proceso, los qubits pueden interactuar entre sí con su partícula entrelazada, aunque se encuentren separados por grandes distancias.
La superposición y entrelazamiento, facilitan el proceso de cálculo a los bits cuánticos, puesto que mientras más qubits existan estos podrán entrelazarse y combinarse. Aumentando la capacidad de los mismos de manera exponencial.
Características de un computador cuántico y cómo funciona
Un computador cuántico tiene como objetivo procesar los datos que las computadoras tradicionales no podrían en un tiempo razonable. Los procesadores cuánticos aprovechan las cualidades del qubit y el sistema para ejecutar poderosos algoritmos basados en IA, poderosas funciones y cálculos matemáticos complejos, grafos, entre otros.
Los ordenadores cuánticos no están diseñados para uso comercial, es por esto que no cuentan con pantallas o monitores. En su lugar, los equipos cuánticos son estructuras complejas que hacen alusión a su tecnología y paradigma. Empresas como Google e IBM están trabajando en computadores cuánticos con diseños similares a una campana y cubiertas con cables de cobre.
Deben mantenerse aislados, porque cualquier factor externo puede alterar la estabilidad de las partículas generando un descontrol en el sistema.Este se considera una de las debilidades de estas estructuras cuánticas. Del mismo modo, deben estar a temperaturas de -273º C, según informes, aislados del campo magnético de la Tierra.
Aplicación de la física cuántica en ordenadores cuánticos
Como mencionamos, los bits cuánticos deben mantenerse estables para poder realizar los procesos de superposición y entrelazamiento. En este sentido, la física cuántica utiliza mecanismos de control, como trampas de iones o materiales semiconductores, para que los qubits se mantengan en orden.
Las trampas de iónicas, combinan campos eléctricos y magnéticos, para capturar iones cargados en un sistema aislado. Estas se usan no solo en física cuántica para el control de estados, sino también en física básica. Estudios recientes mencionan otro tipo de trampa iónica que consiste en iones moleculares enfriados por láser.
Avances de la computación cuántica
Los computadores cuánticos buscan reducir el tiempo de resolución de algoritmos y cálculos complejos, incluso superando a las supercomputadoras. Es por esto que grandes empresas como Intel, Google e IBM, se han dedicado a desarrollar prototipos de procesadores y computadores cuánticos con una capacidad de respuesta de mínimo 49 qubits en el caso de Google.
En 2019, Google alcanzó la «Supremacía cuántica«, término que se acuña a los computadores cuánticos que pueden resolver un problema complejo en solo tres minutos. Dicho cálculo le tomaría 10.000 años a una supercomputadora como la Submit de IBM.
IBM, empresa que fabricó un computador cuántico de 53 qubits, dijo que solo 56 bits cuánticos serán necesarios para superar a las supercomputadoras. Sin embargo Google, utilizó un procesador de 51 qubits para alcanzar la supremacía. Sin mencionar que la compañìa de Mountain View desarrolló previamente un procesador cuántico prototipo llamado Bristlecone, con una potencia de 72 qubits.
Sundar Pichai, el CEO de Google indicó que la computación cuántica podría resolver problemas como el cambio climático. Asimismo, un reporte del Boston Consulting Group, señaló que las computadoras cuánticas podrían “cambiar el juego en campos como la criptografía y la química (y, por lo tanto, la ciencia de los materiales, la agricultura y los productos farmacéuticos) sin mencionar la inteligencia artificial y el aprendizaje automático, logística, fabricación, finanzas y energía”.
Sin embargo, algunos investigadores sugieren que la computación cuántica todavía no podría superar a las computadoras tradicionales. Debido a muchos factores como la inestabilidad de los qubits, que podría afectar los procesos cuánticos y generar errores. Por lo que la computación cuántica aún tiene mucho camino por recorrer. Aunque muchas empresas siguen apostando que esta será la tecnología del futuro.
