"La computación cuántica tiene el potencial de revolucionar la informática al permitir el procesamiento de información a velocidades y escalas que están más allá de la capacidad de los ordenadores clásicos."

David J. Wineland, Premio Nobel de Física (2012) 

La estructura de un ordenador se ajusta a un modelo que ya es muy lejano en el tiempo. Quien sentó las bases teóricas para el desarrollo de un ordenador fue un matemático y físico llamado Jhon von Neumann en la década de 1940. Es el padre de la computación moderna, fue él quien definió el concepto de CPU (Unidad central de procesamiento), memoria, dispositivos de entrada/salida y buses de conexión entre unidades. ¿Qué les parece? Estamos trabajando con máquinas basadas en un paradigma creado hace 84 años.

Al modelo de Neumann, naturalmente se le han ido añadiendo elementos tecnológicos que han potenciado sus capacidades: Rapidez en la unidad de cálculo, procesamiento rápido y con distintos soportes de información  de entradas y salidas y sobre todo la paulatina incorporación de procesadores cada vez mas rápidos y capaces. Pero no olvidemos que desde el punto de vista conceptual todos los ordenadores están basados en aquella máquina.

Ya en el siglo XX se empezaron a sentar las bases de un nuevo modelo de computación que esta destinado a implantarse y poner fuera de servicio al actual. Me refiero al modelo de “computador cuántico”. Para explicarles el concepto de “Computación Cuántica” voy a detenerme y explicarles un poco, lo mínimo, sobre el concepto de “física cuántica” que nos permitirá comprender mejor el nuevo paradigma de computación al que dedico este artículo. Dejemos claro, antes de nada, que los actuales ordenadores están basados en el paradigma de la física de los “semiconductores”, es decir de los dispositivos electrónicos que funcionan a base, por decirlo para que me entiendan, de “transistores” o lo que es lo mismo circuitos de conmutación electrónica basados en la estructura y el comportamiento eléctrico de un material como el silicio cuando es “dopado” con átomos de otros compuestos formando  estructuras o barreras semiconductoras, que conmutan de estado de acuerdo al álgebra binaria de Boole, la del cero y el uno. Resumo diciendo que los ordenadores actuales, desde el punto de vista de la física, funcionan con “átomos de silicio y corrientes eléctricas”. Lo dejamos aquí.

Física cuántica

¿Qué es la física cuántica? Intentaré explicar, de modo sencillo, este concepto que ha significado una auténtica revolución en la forma de entender y describir determinados fenómenos físicos que no tienen explicación a la luz de la física convencional llamada “Newtoniana” o los propios modelos de la física de “Einstein”. Mi atrevimiento es grande, pero confío en saber explicarlo. 

En la física cuántica, los sistemas no se describen mediante magnitudes de valor continuo, como en la física clásica, sino mediante unidades discretas llamadas “cuantos”. Estos cuantos exhiben propiedades como la dualidad onda-partícula, lo que significa que pueden comportarse tanto como partículas (con una posición y una velocidad bien definidas) como ondas (con una distribución de probabilidad).

Algunos conceptos fundamentales de la física cuántica incluyen la “superposición”, que describe cómo los sistemas cuánticos pueden existir en múltiples estados al mismo tiempo, y el “entrelazamiento cuántico”, que describe cómo las partículas pueden estar intrínsecamente relacionadas entre sí, incluso a grandes distancias.

En resumen, la física cuántica es el marco teórico que describe el comportamiento de las partículas subatómicas y los sistemas a escalas muy pequeñas, y es fundamental para comprender fenómenos como la mecánica cuántica, la computación cuántica y la teoría cuántica de campos. 

Cambiando “bits” por “qubits”.

Los ordenadores cuánticos, ya lo hemos dicho antes, funcionan con “luz y partículas subatómicas”. Las partículas subatómicas son las que se encuentran dentro de un átomo si lo “rompemos” (electrones, iones, fotones, quarks, etc.). 

Los fotones (luz) desempeñan un papel crucial en los computadores cuánticos como portadores de información cuántica, elementos de procesamiento, medios de comunicación y herramientas de detección y medición. Su naturaleza cuántica y sus propiedades únicas los convierten en una parte integral del funcionamiento de los sistemas de cómputo cuántico.

Representación ideográfica de un QUBIT. Creada con IA

La arquitectura interna de un computador cuántico no se parece en casi nada a la de un ordenador convencional. Su complejidad es demasiado grande y costosa como para que pensemos en un ordenador de bolsillo al alcance de cualquier usuario, no, por supuesto que no serán, al menos en principio, ordenadores personales. Serán supercomputadores gestionados por grandes empresas e instituciones científicas y tecnológicas altamente especializadas.

¿Qué son los qubits? La informática cuántica utiliza como unidad básica de información el qubit o también llamado “bit cuántico”, en lugar del conocido bit de la computación clásica. La principal característica de este sistema numérico alternativo es que admite la “superposición coherente” de unos y ceros, los dígitos del sistema binario sobre los que gira toda la computación, a diferencia del bit, que solo puede adoptar un valor al mismo tiempo —uno o cero—. Fíjense en el concepto de valores “al mismo tiempo” (este es un concepto de la física cuántica en lo que se refiere a los fenómenos y sus efectos).

Un qubit pueda ser cero y uno a la vez, y además en distinta proporción. La multiplicidad de estados posibilita que un ordenador cuántico de apenas 30 qubits, por ejemplo, pueda realizar 10 billones de operaciones en coma flotante por segundo. Además de estar en una superposición de estados, los qubits también pueden estar entrelazados, lo que significa que el estado de un qubit puede depender del estado de otro qubit, incluso si están separados por largas distancias. Esto permite que los qubits se utilicen en algoritmos cuánticos para realizar tareas que serían impracticables o extremadamente lentas con computadoras clásicas. 

Los algoritmos cuánticos de cálculo y procesamiento de los datos son los encargados de dar soporte matemático a estas máquinas. Entre varios podemos citar, como más importantes, el algoritmo de Shor y el algoritmo de Grover. El de Shor se utiliza para factorizar números enteros grandes, mientras que el algoritmo de Grover se utiliza para realizar búsquedas eficientes en bases de datos no estructuradas.

El funcionamiento de un ordenador cuántico requiere de una serie de condiciones ambientales muy rigurosas y lejanas de las que tenemos en nuestra atmosfera, así, por ejemplo, trabajará a una presión atmosférica casi inexistente, una temperatura ambiente próxima al cero absoluto (-273 °C) y deberá estar aislado de campos magnéticos, incluido el terrestre; todo ello para evitar que los átomos se muevan y colisionen entre sí, o interactúen con el entorno afectados por variables físicas externas. Además, estos sistemas funcionan durante intervalos muy cortos de tiempo, por lo que la información es altamente volátil y no puede almacenarse, dificultando, por lo tanto, la recuperación de los datos.

Aplicaciones de los ordenadores cuánticos.

 Laboratorio de experimentación cuántica. Creada con IA

¿Para qué cosas se usarán los ordenadores cuánticos? He interrogado la IA Generativa en una aplicación pública y le he preguntado “¿qué aplicaciones tendrán en un futuro los ordenadores cuanticos?, la IA me ha respondido: “Criptografía cuántica, simulación molecular, optimización combinatoria, aprendizaje automático cuántico, finanzas cuánticas, IA y Machine Learning y optimización de procesos industriales”. Este listado se ha Generado con IA Generativa.

Google, Intel, Microsoft e IBM están compitiendo activamente por ser los primeros en comercializar ordenadores cuánticos. La consultora McKinsey estima que en 2035 la computación cuántica podría generar un valor económico de 1,3 billones de dólares.

A nivel institucional podemos mencionar Proyectos gubernamentales, como la Iniciativa de Computación Cuántica de la Unión Europea y el proyecto de Infraestructura de Computación Cuántica del Departamento de Energía de EE. UU., están impulsando la investigación y el desarrollo en este campo. El récord actual de qubits conectados es 1.180, logrado por el startup de California Atom Computing en octubre de 2023, más del doble del récord anterior de 433, establecido por IBM en noviembre de 2022.24 dic 2023.

Termino con unas palabras de Steven Chu, Premio Nobel de Física (1997): "La computación cuántica es una de las áreas más prometedoras de la investigación científica actual. Su capacidad para resolver problemas complejos de manera rápida y eficiente tendrá un impacto profundo en la sociedad y en nuestra comprensión del mundo."

Sean Felices