En años recientes las computadoras cuánticas han generado un creciente interés debido al potencial que se predice tendrán; por ejemplo, resolver problemas más rápidamente que las computadoras convencionales o descifrar los sistemas criptográficos actuales y exponer la información que se envía, dejando expuesta información valiosa emitida incluso por gobiernos y compañías. Las computadoras convencionales se producen por una gran variedad de compañías y es necesario resaltar que han sido creadas usando las leyes de la Física Clásica. Por el contrario, las computadoras cuánticas obedecen las leyes de la Mecánica Cuántica y todavía no están disponibles para su venta en el mercado. Sin embargo, varias empresas tecnológicas líderes a nivel mundial están investigado su viabilidad.
Pero, ¿qué es la computación cuántica?, ¿algún día se podrá construir alguna computadora cuántica, para dejar de ser solo una especulación de la mecánica cuántica?, ¿si en la actualidad existen supercomputadoras, cuáles serían los posibles usos de una computadora cuántica? Estas son algunas de las muchas preguntas que surgen de manera natural y en este artículo trataremos de resolver algunas de las dudas que más se repiten.
1.- ¿Qué es una computadora cuántica?: en términos generales una computadora es un dispositivo que procesa información; es decir, una computadora tiene una entrada de información, la procesa y genera a su vez información en la salida. En una computadora clásica la información se representa por bits, a los cuales se les asocia un valor de 0 o 1 (conocido como sistema binario). Mientras que en una computadora cuántica la información se representa por qubits, que son estados de los sistemas cuánticos (las letras iniciales “q” y “u” provienen del nombre en inglés “quantum”, que significa Cuántica); los qubits tienen la ventaja de que además de representar el 0 y el 1, también pueden representar una superposición de estos dos números (como si al mismo tiempo se representasen los valores 0 y 1 simultáneamente). Este es un fenómeno netamente cuántico conocido como el principio de superposición de estados, que no existe en el mundo clásico. Un ejemplo del principio de superposición, en mecánica cuántica, sería un sistema físico que puede estar en una posición x1, o en otra posición distinta x2; la superposición de estados sería que al mismo tiempo estuviera en ambas posiciones distintas x1 y x2. Esta superposición de estados es una de las grandes ventajas que tienen los qubits sobre los bits, que se aprovecha en computación cuántica para manipular simultáneamente todos los estados posibles de una computadora clásica.
Por otra parte, para procesar la información las computadoras clásicas emplean compuertas lógicas, estas últimas son circuitos electrónicos que procesan y modifican la información de entrada. Por ejemplo, la compuerta lógica de Negación cambia el número 0 al 1 y viceversa. Usando un conjunto de compuertas lógicas adicionales, las computadoras clásicas pueden realizar, por ejemplo, las operaciones matemáticas de suma, resta, multiplicación, etcétera. En forma distinta, en computación cuántica la información se procesa usando compuertas lógico-cuánticas, estas permiten realizar todas las tareas usuales de la computación clásica, más otras tareas adicionales que no pueden ser realizadas con los recursos de la computación clásica.
Asímismo, cabe mencionarse que antes de la llegada de la computación cuántica, la información y la computación tradicionales habían estado modeladas por una Teoría de la Información matemática, abstracta y clásica, que dejaba oculta la parte Física del procesamiento de los datos, dejando de lado el aspecto Físico. Por el contrario, la computación cuántica y la teoría de la información cuántica, impulsada inicialmente por Richard Feynman, es la concepción de que la información es un fenómeno físico descrito por las leyes de la física, de ahí el lema: La Información es Física.
La mecánica cuántica es una subdisciplina de la física que se distingue considerablemente de la física clásica, debido a que en su esencia tiene una interpretación estadística. Esto ha llevado al descubrimiento de fenómenos diferentes que tienen ventajas cuando se usan para procesar la información y los datos. Como el principio de superposición mencionado anteriormente, o como el hecho de que en computación cuántica las compuertas lógico-cuánticas (que, como se explicó anteriormente, realizan el procesamiento de los datos) están representadas por operadores, entes físicos que pueden actuar simultáneamente en los estados cuánticos para producir paralelismo, imposible de conseguir clásicamente, en el procesamiento de los datos.
2.- ¿Algún día se construirá una computadora cuántica? El hecho contundente es que ya se construyeron, actualmente IBM tiene por lo menos 20 computadoras cuánticas diseminadas en varios países y puestas a disposición del mundo entero; pequeñas en cuanto al número de qubits y operaciones cuánticas que se pueden realizar, pero poderosas en cuanto a las tareas que se pueden realizar con ellas. Aunque las computadoras cuánticas de la IBM cuentan con sólo un poco más de cien qubits, el objetivo es llegar a los cinco mil qubits en las próximas décadas. Adicionalmente, otras compañías, como Google, están desarrollado sus propios modelos.
3.- ¿Para qué se puede usar una computadora cuántica? En general, las computadoras clásicas procesan la información en forma eficiente usando algoritmos para realizar sus tareas. Sin embargo, existen algoritmos que son muy lentos; como, por ejemplo, el algoritmo para encontrar los factores primos de un número. Uno de los intereses en encontrar estos factores primos reside en que la criptografía clásica emplea el producto de números primos (de cientos y hasta miles de dígitos) para codificar la información. Por esto, cuando en 1994 Peter Shor publicó un algoritmo cuántico eficiente para encontrar los factores primos de un número —en una forma tan eficiente que es imposible de conseguir con las computadoras clásicas— explotó un gran interés por las computadoras cuánticas.
Otro aspecto importante de las computadoras cuánticas es su habilidad para simular fenómenos físicos en forma eficiente. Por ejemplo, simular una reacción físico-química es muy complicado con las computadoras clásicas y sería más eficiente usar algoritmos cuánticos para ello. Esto es precisamente lo que está haciendo la compañía de automóviles Mercedes Benz mediante las computadoras cuánticas construidas por la compañía IBM. Uno de los objetivos de esta compañía es que para el año 2039 todos sus automóviles sean eléctricos; para enfrentar este reto se necesita desarrollar una nueva generación tecnológica en baterías. Sin embargo, actualmente se tiene el problema de no saber con certeza qué es lo que ocurre dentro de una batería; es decir, se tiene el conocimiento para producirlas, pero se desconoce su funcionamiento interno, para comprenderlo es necesario modelar la interacción que se produce entre millones de electrones, y para ello es necesario la simulación de este fenómeno físico. Para lograr esto, Mercedes Benz está usando las computadoras cuánticas de la IBM y ya inició un proceso de investigación para simular los procesos internos que se dan en las baterías; mismo proceso que es muy lento de analizar usando las computadoras tradicionales, incluidas las supercomputadoras.
Lo anterior muestra que las computadoras cuánticas son una realidad, ya existen y se están usando para enfrentar problemas que antes eran intratables (o muy lentos de enfrentar) con las computadoras clásicas. Las computadoras cuánticas podrían brindar soluciones eficientes para muchos problemas y podrían generar tecnologías más limpias y eficientes para reducir la emisión de contaminantes a la atmósfera. Finalmente, cabe destacarse que no solamente se están usando para simular fenómenos físicos, se están usando también para enfrentar y resolver problemas económicos.
La viabilidad de una computadora cuántica a gran escala de cientos de miles de qubits está todavía en investigación y desarrollo; sin embargo, se prevé que la investigación para producirlas —aunque sea muy difícil su construcción— tendrá un efecto benéfico para la ciencia y la tecnología con un impacto muy favorable para el desarrollo de la sociedad.
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