¿Cómo funcionan los ordenadores cuánticos? ¿Por qué son tan potentes? ¿En qué especialidades son, probablemente, más útiles?
Un ordenador cuántico, como su nombre lo indica, se apoya en un fenómeno tan impresionante como la mecánica cuántica. Esta última permite un inmenso avance en términos de potencia de cálculo. Máquinas que prometen sobrepasar los mejores supercalculadores de hoy y de mañana.
Para despejar dudas, no van a sustituir a nuestros ordenadores actuales. Utilizar estos últimos, será siempre la solución más económica y simple para tratar la mayoría de las tareas. Pero aun así, los ordenadores cuánticos prometen numerosos avances en un gran numero de especialidades. Por ejemplo, algunas empresas comienzan a utilizarlos para desarrollar baterías más ligeras y más potentes para los coches eléctricos.
El poder secreto de estas nuevas máquinas es la capacidad de trabajar con bits cuánticos llamados qubits.
¿Qué es un qubit?
Los PC’s actuales usan bits (un flujo eléctrico, representado por ceros y unos, encendido o apagado, positivo o negativo,…). Toda la información esta constituída por cadenas de cifras digitales.
La informática cuántica, por otro lado, utiliza los qubits, que son partículas subatómicas como los electrones y los protones. Generarlos y manipularlos representa un desafío científico y de ingeniería. Algunas empresas como IBM, Google y Rigetti, utilizan los circuitos de superconductores enfriados a temperaturas inferiores a las que encontramos en el espacio. Otras empresas como IonQ, atrapan los átomos individualmente en unos campos electromagnéticos sobre un chip de silicio, en unas cámaras de ultravacío. En ambos casos, el propósito es aislarlos en un estado cuántico controlado.
Los qubits poseen algunas propiedades cuánticas muy originales, esto quiere decir que un grupo de ellos conectados, puede generar mucha más potencia de cálculo que un ordenador clásico, para un mismo número de bits. Dos de estas propiedades son las conocidas como: superposición cuántica e intrincación cuántica.
¿Qué es la superposición?
Los qubits pueden representar varias combinaciones posibles de ceros y unos al mismo tiempo. Esta capacidad de estar simultáneamente en varios estados, se llama superposición. Para ponerlos en superposición, los científicos los manipulan ayudándose de láseres de precisión o de microondas de fases.
El espacio de computación de un qubit dado, es de hecho bidimensional. Ambas dimensiones se envuelven alrededor de la superficie de una esfera, y llamaremos abruptamente al polo norte «cero» y al polo sur «uno». Cuando un qubit funciona, puede tomar un valor en cualquier lugar de la superficie de esa esfera. Al final del cálculo, cuando lo medimos, caerá en 0 o en 1, pero se basa en la mecánica cuántica que es probabilista.
Según la situación, se le atribuirán más posibilidades al 1 o al 0. Los qubits son así una combinación de los mismos. Son números complejos, no enteros. Por lo tanto, afecta inmensamente a las matemáticas.
Gracias a este fenómeno contraintuitivo, una computadora cuántica con varios qubits en superposición, puede enfrentar simultáneamente una gran cantidad de resultados potenciales. El resultado final del cálculo aparece solo cuando se miden (observan) los mismos, lo que hace que la caída inmediata de su estado sea 1 o 0.
¿Qué es la intrincación?
Los investigadores pueden generar pares de qubits que están «intrincados», lo que significa que ambos miembros de un par existen en un solo estado cuántico. Cambiar el estado de un qubit cambiará instantáneamente el del otro. Y este producto puede importar la distancia entre ellos.
Sin embargo, nadie sabe realmente cómo funciona ls intrincación. Este fenómeno incluso desconcertó a Einstein, quien lo describió como «una acción remota aterradora». Pero eso es lo que hace que el poder de las computadoras cuánticas. En una computadora típica, duplicar el número de bits duplica la potencia de cómputo. Pero gracias a la intrincación, agregar qubits adicionales a una máquina cuántica produce un crecimiento exponencial en la potencia informática.
Estas máquinas usan la intrincación y, por lo tanto, algoritmos especialmente diseñados para procesos cuánticos y esto crea un zumbido en torno a su potencial. Y sin embargo, esta es la buena noticia, porque la mala noticia es que las computadoras cuánticas son más propensas a errores que las computadoras convencionales debido a la decoherencia.
¿Qué es la decoherencia?
La interacción de los qubits con su entorno conduce al deterioro de su comportamiento cuántico y finalmente a su desaparición, esto se llama decoherencia. Su estado cuántico es extremadamente frágil. La menor vibración o variación de temperatura (las perturbaciones se denominan «ruido»), pueden hacer que los qubits caigan en un estado (dejar superposición) antes de que se realice el trabajo. Es por eso que los investigadores hacen todo lo posible para protegerlos del mundo exterior con refrigeradores súper potentes o cámaras de vacío.
Aunque, a pesar de sus esfuerzos, el ruido aún causa muchos errores en los cálculos. Los algoritmos cuánticos inteligentes pueden compensarlos ligeramente. También agregar qubits adicionales puede ayudar a compensar dichas fallas. Sin embargo, probablemente se necesitarán miles de ellos estándar para crear uno realmente confiable, conocido como qubit «lógico». Esto socavará la capacidad computacional de una computadora cuántica.
He aquí el problema: hasta ahora, los investigadores no han podido generar más de 128 qubits estándar. Por lo que todavía estamos lejos de las computadoras cuánticas útiles en gran medida. Esto no disuadió a los pioneros del campo de ser los primeros en demostrar la «supremacía cuántica«.
¿Qué es la supremacía cuántica?
Nos referimos por supremacía al hecho de que una computadora cuántica puede completar un cálculo matemático, que está claramente fuera del alcance de una supercomputadora.
No está claro cuántos qubits se necesitarán para lograr esto, porque los investigadores continúan encontrando algoritmos para mejorar el rendimiento de las máquinas convencionales, y el hardware de las supercomputadoras también continúa mejorando. Pero algunos especialistas y compañías están trabajando duro para obtener el titular, realizando pruebas contra las mejores calculadoras del mundo.
Hay mucho debate en el mundo de la investigación sobre lo que significará alcanzar este hito, qué significará y para qué servirá. En lugar de esperar a que se declare la supremacía, las compañías ya están comenzando a probar las computadoras cuánticas construídas por otras compañías como IBM, Rigetti y D-Wave. Empresas chinas como Alibaba también ofrecen acceso a computadoras cuánticas. Hay que empresas las compran, mientras que otras usan computadoras disponibles a través de servicios de computación en la nube.
¿Cuáles son las aplicaciones más probables de una computadora cuántica?
Una de las aplicaciones más prometedoras de las computadoras cuánticas es simular el comportamiento de la materia a nivel molecular. Fabricantes como Volkswagen y Daimler, usan computadoras cuánticas para simular la composición química de las baterías de los coches eléctricos y ayudar a encontrar nuevas formas de mejorar su rendimiento. Otras, como las farmacéuticas lo aprovechan para analizar y comparar compuestos químicos que podrían conducir a la creación de nuevos medicamentos.
Estas máquinas también son fuertes para la optimización de problemas, porque pueden manejar la información de forma extremadamente rápida a través de una gran cantidad de posibles soluciones. Airbus, por ejemplo, los utiliza para ayudar a calcular el consumo de combustible durante los ascensos y descensos para optimizarlo. Volkswagen ha presentado un servicio que calcula rutas óptimas para autobuses y taxis en las ciudades para reducir la congestión. Los investigadores también creen que las máquinas podrían usarse para acelerar la inteligencia artificial (IA).
Pueden pasar varios años antes de que la computadora cuántica alcance su máximo potencial. Las universidades y las empresas que trabajan allí, se enfrentan a una escasez real de investigadores calificados, así como de proveedores de componentes clave. Pero si estas nuevas máquinas informáticas cumplen sus promesas, podrían cambiar radicalmente las industrias y permitir la innovación.
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