Qué es un ordenador cuántico y en qué se diferencia de uno normal

Qué es un ordenador cuántico y en qué se diferencia de uno normal

Rodrigo Alonso

En los tiempos que corren, muchas veces habréis escuchado hablar sobre los ordenadores cuánticos, y que son el futuro de la informática moderna. Pero, ¿qué es un ordenador cuántico? ¿Por qué no los tenemos ya en nuestros hogares? En este artículo vamos a explicaros en qué consisten estos sistemas, cómo funcionan, y cuándo podemos esperar una implementación más extendida.

Antes de nada, debéis tener en cuenta que el concepto de que los ordenadores cuánticos terminarán sustituyendo a los PCs como los conocemos hoy en día es erróneo, al menos a medio plazo. El uso de un PC doméstico “normal” sigue siendo la solución más fácil y económica para abordar la mayoría de problemas cotidianos y necesidades de los usuarios, y así seguirá siendo durante mucho, mucho tiempo.

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No obstante, los ordenadores cuánticos prometen impulsar los avances tecnológicos en muchos campos, desde la ciencia de los materiales hasta la investigación farmacéutica, motivo por el que son muchas las empresas que están invirtiendo para desarrollar esta tecnología.

¿Qué es un ordenador cuántico y cómo funciona?

Los ordenadores cuánticos aprovechan algunos de los fenómenos casi “místicos” de la mecánica cuántica para ofrecer grandes avances en cuanto a potencia de procesamiento (la premisa es que un ordenador cuántico de lo más sencillo sería más potente que los super ordenadores que hay hoy en día).

El secreto de este tipo de equipos reside en su capacidad para generar y manipular bits cuánticos, conocidos como qubits.

¿Qué son los qubits y cómo funcionan?

Los ordenadores de hoy en día funcionan con bits, que no son sino una corriente de pulsos eléctricos (u ópticos) que representan unos y ceros en sistema binario. Todo, desde los correos electrónicos que utilizas hasta los vídeos de Youtube pasando por este mismo artículo que estás leyendo, son en esencia largas cadenas de dígitos binarios.

Qué es un qubit en un ordenador cuántico

Los ordenadores cuánticos, por el contrario, utilizan qubits en su lugar, que son partículas subatómicas como electrones o fotones. Generar y administrar qubits representa todo un desafío de ingeniería, y compañías como IBM o Google utilizan circuitos superconductores enfriados casi al cero absoluto para ello, mientras que otras empresas como IonQ, los gestionan atrapando átomos individuales en campos electromagnéticos mediante chips de silicio en cámaras de ultra vacío. En ambos casos, el objetivo es aislar los qubits en un estado cuántico controlado.

Los qubits tienen algunas propiedades cuánticas peculiares, y entre ellas la que más nos interesa es que cuando forman grupos, proporcionan una potencia de procesamiento exponencialmente superior a cuando se utilizan bits en sistema binario. Estas propiedades se llaman superposición y entrelazamiento.

La superposición cuántica

La mayor particularidad de los qubits es que, al contrario que los bits que solo pueden ser unos y ceros, son capaces de tener tres estados: uno, cero, y uno y cero simultáneamente. Esta capacidad de representar varios estados al mismo tiempo es lo que se llama superposición, y para que los qubits lleguen a este estado, es necesario manipularlos con láseres de precisión o rayos de microondas.

Superposición cuántica

Gracias a este fenómeno (que parece imposible, ¿verdad? ¡Pero así funciona la mecánica cuántica!) un ordenador cuántico con varios qubits en superposición puede procesador una ingente cantidad de resultados de cálculo de manera simultánea. El resultado final de un cálculo surge solo una vez que se miden los qubits, lo que inmediatamente hace que su estado se “colapse” a un uno o un cero.

El entrelazamiento cuántico

Los ingenieros pueden generar pares de qubits que están “entrelazados” o “enredados” entre sí, lo que significa que ambos miembros de un par existen en un único estado cuántico. Cambiar el estado a uno de estos qubits cambiará inmediatamente el estado del otro, y esto sucederá incluso si estuvieran separados por largas distancias.

Nadie sabe muy bien cómo funciona exactamente este “enredo”, e incluso el archiconocido Einstein lo definió como una “acción espeluznante a distancia”, pero el caso es que es clave para el poder de computación de los ordenadores cuánticos. En un ordenador convencional, duplicar el número de bits duplicaría su potencia de procesamiento, mientras que en una máquina cuántica se produce un aumento exponencial de su capacidad.

Entrelazamiento en un ordenador cuántico

Así, las computadoras cuánticas aprovechan estos qubits enredados en una especie de cadena (Daisy-chain) para hacer su magia. La capacidad de estas máquinas para acelerar los cálculos utilizando algoritmos cuánticos especialmente diseñados para esto es la razón de que haya tanta expectación sobre su potencial.

Esa es la buena noticia; la mala es que los ordenadores cuánticos son muchísimo más propensos a cometer errores de cálculo que los ordenadores normales debido a otro fenómeno: la decoherencia (o incoherencia).

La incoherencia cuántica

La interacción de los qubits con su entorno a veces causa que su comportamiento cuántico decaiga y termine por desaparecer, en lo que se llama la incoherencia o decoherencia cuántica. Su estado cuántico es extremadamente frágil, y la más mínima vibración o cambio de temperatura –conocido con el término “ruidos” en este argot- pueden hacer que los qubits se “caigan” de su estado de superposición antes de que hayan terminado de realizar su trabajo. Por este motivo, es de suma importancia que un ordenador cuántico esté totalmente aislado del ambiente (humedad, cambios de temperatura, vibraciones, etc.) y por ello es necesario meterlos en grandes refrigeradores y cámaras de vacío.

Incoherencia cuántica explicada con gatos

No obstante, estas cámaras y refrigeradores no son perfectos y al final el ruido causa errores en los cálculos. Los algoritmos cuánticos inteligentes compensan algunos de estos errores, y añadir qubits de sobra en cada cálculo también ayuda, pero según calculan, es necesario tener miles de qubits estándar para crear un único qubit 100% confiable, conocido como “qubit lógico”. Esto, por otro lado, reduciría muchísimo la potencia de computación total.

Y ahí está el problema: hasta ahora, los investigadores no han sido capaces de crear entornos de más de 128 qubits estándar, por lo que hasta ahora ha sido imposible crear un solo qubit lógico. Según calculan, estamos a décadas de poder conseguirlo, de hecho.

¿Qué uso tienen los ordenadores cuánticos?

Una de las aplicaciones más prometedoras de estos sistemas es simular el comportamiento de la materia a nivel molecular. Los fabricantes de automóviles como Volkswagen o Daimler ya utilizan ordenadores cuánticos para simular la composición química de las baterías de los coches eléctricos para buscar maneras de mejorar su rendimiento, y las compañías farmacéuticas los emplean para analizar y comparar compuestos que podrían conducir a la creación de nuevos medicamentos.

Ordenador cuántico Toshiba

Las máquinas son también excelentes para resolver problemas de optimización, ya que con su potencia de cálculo son capaces de analizar un gran número de posibles soluciones para cualquier problema. Por ejemplo, la compañía Airbus los utiliza para calcular rutas de ascenso y descenso más eficientes para sus aviones, y Volkswagen ya ha presentado un servicio que calcula las rutas más óptimas para autobuses y taxis en las ciudades a fin de evitar atascos. Muchos investigadores también creen que la computación cuántica ayudará a desarrollar la Inteligencia Artificial a niveles que no podemos ni imaginar (hola, Skynet).

En cualquier caso, todavía quedan muchos años –décadas seguramente- hasta que los ordenadores cuánticos puedan ser totalmente viables, y seguramente todavía más tiempo hasta que se estandarice su utilización. De ahí a que tengamos ordenadores cuánticos en nuestros hogares, seguramente todavía falte más de un siglo.