Desde la primera idea de un ordenador cuántico en 1980 hasta hoy, la industria de la informática cuántica ha crecido notablemente, sobre todo en los últimos 10 años. Muchas empresas están trabajando en ordenadores cuánticos.
Al final de este artículo, conocerá a fondo qué es la informática cuántica, los distintos tipos de informática cuántica, su funcionamiento, algoritmos, modelos, enfoques, retos y aplicaciones.
¿Qué es la informática cuántica?
El ordenador cuántico resuelve los problemas de forma diferente a los ordenadores con los que estamos familiarizados, a los que, a partir de ahora, me referiré como ordenadores clásicos.
Los ordenadores cuánticos tienen ciertas ventajas sobre los ordenadores normales para determinados problemas, que provienen de su capacidad para estar en un gran número de estados al mismo tiempo, mientras que los ordenadores clásicos sólo pueden ocupar un estado a la vez.
Para comprender esto, y entender cómo funcionan los ordenadores cuánticos, hay que entender tres cosas: Superposición, Entrelazamiento e Interferencia.
Lo básico de un ordenador normal son los bits, y para un ordenador cuántico, son los bits cuánticos o qubits para abreviar. Funcionan de formas fundamentalmente distintas.
Un bit clásico es como un interruptor que puede ser un 0 o un 1, con lo que probablemente ya esté familiarizado como información binaria o binaria. Cuando medimos un bit, sólo obtenemos de vuelta el estado en el que se encuentra en ese momento, pero veremos que esto no es cierto en el caso de los qubits. Un qubit es más complicado.
Superposición
Para una visualización útil, puede pensar en ellos como una flecha apuntando en el espacio tridimensional. Si apuntan hacia arriba están en el estado 1 y si apuntan hacia abajo, están en el estado 0, igual que un bit clásico, pero también tienen la opción de estar en una cosa llamada estado de superposición, que es cuando la flecha apunta en cualquier otra dirección.
Este estado de superposición es un estado de combinación de 0 y 1.
Ahora bien, cuando mida un qubit, el resultado seguirá siendo 1 o 0, pero el que obtenga dependerá de una probabilidad que viene establecida por la dirección de la flecha.
Si la flecha apunta más hacia arriba, es más probable que obtenga un 1 que un 0, y si apunta hacia abajo, es más probable que obtenga un 0 que un 1, y si está exactamente en el ecuador, obtendrá cualquiera de los dos estados con una probabilidad del 50%.
Así pues, este es el efecto de la superposición explicado; ahora pasaremos al entrelazamiento.
Entrelazamiento
En los ordenadores clásicos, los bits son totalmente independientes entre sí. El estado de un bit no se ve influido por el estado de ninguno de los otros bits. Pero en los ordenadores cuánticos, los qubits pueden entrelazarse entre sí, lo que significa que juntos pasan a formar parte de un gran estado cuántico.
Por ejemplo, veamos dos qubits que están cada uno en diferentes estados de superposición pero que aún no están entrelazados. Puede ver las probabilidades junto a ellos, y estas probabilidades son actualmente independientes entre sí.
Pero cuando los entrelazamos, tenemos que desechar esas probabilidades independientes y calcular una distribución de probabilidad de todos los estados posibles que podemos obtener. Ya sea 00, 01, 10 u 11.
El punto importante aquí es que los qubits están entrelazados; si cambia la dirección de la flecha de un qubit, cambia la distribución de probabilidad de todo el sistema, por lo que los qubits ya no son independientes entre sí; todos forman parte del mismo gran estado.
Y esto es así independientemente del número de qubits que tenga. También observará que para un qubit tiene una distribución de probabilidad sobre 2 estados.
Con dos qubits, tiene una distribución de probabilidad repartida en cuatro estados. Para tres qubits tiene una distribución sobre 8 estados, y esto sigue duplicándose cada vez que añade otro qubit.
En general, un ordenador cuántico de n qubits puede estar en una combinación de 2^n estados. Así que yo diría que ésta es la principal diferencia entre los ordenadores clásicos y los ordenadores cuánticos.
Los ordenadores clásicos pueden estar en cualquier estado que se desee, pero sólo pueden estar en un estado a la vez, mientras que los ordenadores cuánticos pueden estar en una superposición de todos esos estados al mismo tiempo.
Pero puede que se pregunte cómo estar en este estado de superposición puede ser útil en un ordenador. Pues bien, para eso necesitamos el último componente: La interferencia.
Interferencia
Para explicar el efecto de la interferencia, tenemos que volver atrás y mirar mi imagen de un qubit técnicamente llamado esfera de Bloch. Un qubit no tiene este aspecto; es sólo una forma bonita de visualizar el estado de un qubit.
En realidad, el estado de un qubit se describe mediante una entidad más abstracta conocida como función de onda cuántica. Las funciones de onda son la descripción matemática fundamental de todo en la mecánica cuántica.
Cuando se tienen muchos qubits entrelazados, todas sus funciones de onda se suman en una función de onda global que describe el estado del ordenador cuántico.
Esta suma de funciones de onda es la interferencia porque, al igual que ocurre con las ondas del agua, cuando sumamos ondas, éstas pueden interferir de forma constructiva y sumarse para formar una onda mayor, o interferir de forma destructiva para anularse mutuamente.
La función de onda global del ordenador cuántico es lo que establece las diferentes probabilidades de los diferentes estados, y cambiando los estados de los diferentes qubits podemos cambiar las probabilidades de que se revelen diferentes estados cuando medimos el ordenador cuántico.
Recuerde que aunque el ordenador cuántico puede estar en una superposición de millones de estados al mismo tiempo cuando lo medimos, sólo sacamos un único estado.
Por lo tanto, cuando utilice un ordenador cuántico para resolver un problema de cálculo, deberá utilizar la interferencia constructiva para aumentar la probabilidad de la respuesta correcta, y utilizar la interferencia destructiva para disminuir las probabilidades de las respuestas incorrectas, de modo que cuando lo mida salga la respuesta correcta.
Algoritmos cuánticos
Ahora bien, cómo se hace esto es el reino de los algoritmos cuánticos, y toda la motivación detrás de la computación cuántica es que, teóricamente, hay un montón de problemas que se pueden resolver en un ordenador cuántico que se cree que son intratables en los ordenadores clásicos.
Echémosles un vistazo. Hay muchos algoritmos cuánticos, demasiados para describirlos en este artículo, así que nos centraremos en el más famoso e históricamente importante: el algoritmo de Shor.
#1. El algoritmo de Shor
Si tiene dos números grandes y los multiplica juntos, existe un algoritmo clásico muy rápido y eficiente para encontrar la respuesta. Sin embargo, si comienza con la respuesta y se pregunta, ¿cuáles son los números originales que se multiplican juntos para formar este número? Es mucho más difícil.
Esto se conoce como factorización, y estos números se llaman factores y la razón por la que encontrarlos es tan difícil es porque el espacio de búsqueda de posibles factores es muy grande. Y no existe ningún algoritmo clásico eficiente para encontrar los factores de números grandes.
Por esta razón, utilizamos esta propiedad matemática para la encriptación en Internet: sitios web seguros, correos electrónicos y cuentas bancarias. Si conoce estos factores, puede descifrar fácilmente la información, pero si no los conoce, necesitaría encontrarlos primero, lo que resulta intratable en los ordenadores más potentes del mundo.
Por eso, en 1994, cuando Peter Shor publicó un algoritmo cuántico rápido que podía encontrar eficazmente los factores de números enteros grandes, causó un gran revuelo.
Fue el momento en que mucha gente empezó a tomarse en serio la idea de la computación cuántica porque era la primera aplicación a un problema del mundo real con implicaciones de seguridad potencialmente enormes en el mundo real.
Pero cuando digo un algoritmo cuántico «rápido», ¿cómo de rápido y cuánto más rápido que un ordenador clásico sería? Para responder a estas preguntas tenemos que dar un pequeño rodeo por el mundo de la teoría de la complejidad cuántica.
Teoría de la complejidad cuántica
La teoría de la complejidad cuántica es un subcampo del mundo de la teoría de la complejidad computacional, que se ocupa de la categorización de los algoritmos, clasificándolos en compartimentos según lo bien que funcionen en los ordenadores.
La clasificación viene determinada por el nivel creciente de dificultad para resolver el problema a medida que éste se hace más grande. Aquí, cualquier problema dentro de la casilla P es fácil de resolver para los ordenadores clásicos, pero cualquier cosa fuera de ella significa que no tenemos algoritmos clásicos eficientes para resolverlos, y la factorización de números grandes es uno de ellos.
Pero existe un círculo, BQP, que es eficiente para un ordenador cuántico pero no para un ordenador clásico. Y estos son los problemas que los ordenadores cuánticos podrán resolver mejor que los clásicos.
Como ya he dicho, la teoría de la complejidad examina lo difícil que es resolver un problema a medida que el problema se hace más grande. Así que si factoriza un número con 8 dígitos y luego le añade otro dígito, ¿cuánto más difícil es factorizar el nuevo número en comparación con el anterior? ¿Es el doble de difícil?
¿Exponencialmente más difícil? ¿Y cuál es la tendencia a medida que se añaden más y más dígitos? Esto se llama su complejidad o escalado, y para la factorización, es exponencial.
Cualquier cosa con la N en el exponente es exponencialmente difícil. Estos problemas exponenciales son los que le fastidian a medida que los problemas se hacen más grandes, y en el mundo de la informática, puede ganarse el respeto y el renombre si encuentra un algoritmo mejor para resolver estos problemas más difíciles.
Un ejemplo de ello fue el algoritmo de Shor, que aprovechó las características especiales de los ordenadores cuánticos para crear un algoritmo que podía resolver la factorización de enteros con un escalado mucho mejor que el mejor algoritmo clásico.
El mejor algoritmo clásico es exponencial, mientras que el algoritmo de Shor es polinómico, lo que es una gran cosa en el mundo de la teoría de la complejidad y de la informática en general porque transforma un problema irresoluble en uno resoluble
Resoluble, es decir, si se dispone de un ordenador cuántico que funcione, que es lo que la gente está trabajando en construir. Pero aún no debe preocuparse por la seguridad de su cuenta bancaria porque los ordenadores cuánticos actuales aún no son capaces de ejecutar el algoritmo de Shor en números grandes.
Necesitarían alrededor de muchos qubits para hacerlo, pero hasta ahora, los ordenadores cuánticos universales más avanzados tienen alrededor de 433.
Además, la gente está trabajando en lo que se conoce como esquemas de encriptación post-cuántica, que no utilizan la factorización de enteros, y otra tecnología del mundo de la física cuántica puede ayudar aquí también, un esquema criptográfico conocido como criptografía cuántica.
Así que ese fue un vistazo a sólo un algoritmo cuántico, pero hay muchos más, cada uno con diferentes niveles de aumento de velocidad.
#2. El algoritmo de Grover
Otro ejemplo notable es el algoritmo de Grover, que puede buscar listas no estructuradas de datos más rápido que el mejor algoritmo clásico.
Pero debemos tener cuidado aquí para asegurarnos de que no caracterizamos erróneamente a los ordenadores clásicos. Son dispositivos muy versátiles, y no hay nada que diga que alguien pueda encontrar un algoritmo clásico muy inteligente que pueda resolver los problemas más difíciles como la factorización de enteros de forma más eficiente.
La gente cree que es muy improbable, pero no se descarta. Además, hay problemas que podemos demostrar que son imposibles de resolver en los ordenadores clásicos, llamados problemas no computables, como el problema de halting, pero también son imposibles de resolver en un ordenador cuántico.
Así que, computacionalmente, los ordenadores clásicos y los cuánticos son equivalentes entre sí, las diferencias vienen todas de los algoritmos que pueden ejecutar. Incluso se puede simular un ordenador cuántico en un ordenador clásico y viceversa.
Simular un ordenador cuántico en un ordenador clásico se vuelve exponencialmente más difícil a medida que aumenta el número de qubits que se simulan.
Esto se debe a que los ordenadores clásicos tienen dificultades para simular sistemas cuánticos, pero como los ordenadores cuánticos ya son sistemas cuánticos, no tienen este problema, lo que me lleva a mi aplicación favorita de los ordenadores cuánticos: la simulación cuántica.
#3. Simulación cuántica
La simulación cuántica consiste en simular con un ordenador cosas como reacciones químicas o cómo se comportan los electrones en diferentes materiales. En este caso, los ordenadores cuánticos también tienen un aumento exponencial de la velocidad con respecto a los ordenadores clásicos, ya que éstos tienen dificultades para simular sistemas cuánticos.
Pero simular sistemas cuánticos con tan pocas partículas es difícil incluso en los superordenadores más potentes del mundo. Tampoco podemos hacerlo aún en los ordenadores cuánticos, pero a medida que vayan madurando, uno de los principales objetivos es simular sistemas cuánticos cada vez mayores.
Esto incluye áreas como el comportamiento de materiales exóticos a bajas temperaturas, como comprender qué hace que algunos materiales sean superconductores o estudiar reacciones químicas importantes para mejorar su eficacia; un ejemplo pretende producir fertilizantes de forma que emitan mucho menos dióxido de carbono, ya que la producción de fertilizantes contribuye a cerca del 2% de las emisiones globales de carbono.
Puede conocer en profundidad la simulación de la química cuántica.
Otras aplicaciones potenciales de la simulación cuántica incluyen la mejora de los paneles solares, la mejora de las baterías y el desarrollo de nuevos fármacos, productos químicos o materiales para la industria aeroespacial.
En general, la simulación cuántica significaría que podríamos crear rápidamente prototipos de muchos materiales diferentes dentro de un ordenador cuántico y probar todos sus parámetros físicos en lugar de tener que fabricarlos físicamente y probarlos en un laboratorio, que es un proceso mucho más laborioso y caro.
Esto tiene el potencial de agilizar considerablemente los procesos y suponer un ahorro sustancial de tiempo y costes. Merece la pena reiterar que todas estas son aplicaciones potenciales de los ordenadores cuánticos porque aún no tenemos ningún ordenador cuántico que pueda resolver problemas del mundo real mejor que nuestros ordenadores normales. Pero estos son los tipos de problemas para los que los ordenadores cuánticos serían muy adecuados.
Modelos de ordenadores cuánticos
Dentro del mundo de los ordenadores cuánticos, existe una gran variedad de enfoques para convertir diferentes tipos de sistemas cuánticos en ordenadores cuánticos, y hay dos capas de matices de las que tengo que hablar.
El modelo de circuito
En el modelo de circuito, tienen qubits que funcionan juntos y compuertas especiales que manipulan unos cuantos qubits a la vez, cambiando sus estados sin comprobarlo. Colocan estas compuertas en un orden específico para crear un algoritmo cuántico. Al final, miden los qubits para obtener la respuesta necesaria.
Computación cuántica adiabática
En la computación cuántica adiabática, se aprovecha uno de los comportamientos fundamentales de la física, el hecho de que todo sistema en física se mueve siempre hacia el estado de mínima energía. La computación cuántica adiabática funciona planteando los problemas de forma que el estado de energía más bajo del sistema cuántico represente la solución.
Recocido cuántico
El recocido cuántico no es un esquema de computación cuántica universal, pero funciona según el mismo principio que la computación cuántica adiabática: el sistema encuentra el estado energético mínimo de un paisaje energético que se le da.
Computación cuántica topológica
En este enfoque, los qubits se construyen a partir de una entidad de la física llamada cuasipartícula de modo cero de Majorana, que es un tipo de anyón no abeliano. Se prevé que estas cuasipartículas sean más estables debido a su separación física entre sí.
Desafíos en la construcción
Sea cual sea el enfoque, todos se enfrentan a un conjunto similar de obstáculos, a los que debemos echar un vistazo en primer lugar.
- La decoherencia: Es realmente difícil controlar los sistemas cuánticos porque si se produce una mínima interacción con el mundo exterior, la información comienza a filtrarse. Esto se llama decoherencia. Sus qubits estarán hechos de cosas físicas, y necesitará otras cosas físicas cerca para controlarlos y medirlos; sus qubits son tontos; se enredarán con cualquier cosa que puedan. Necesita diseñar sus qubits con mucho cuidado para protegerlos de enredarse con el entorno.
- Ruido: Necesita proteger sus qubits de cualquier tipo de ruido, como los rayos cósmicos, la radiación, la energía térmica o las partículas rebeldes. Cierta cantidad de decoherencia y ruido es inevitable en cualquier sistema físico y es imposible eliminarla por completo.
- Escalabilidad: Por cada qubit, necesita tener un montón de cables para manipularlo y medirlo. A medida que se añaden más qubits, la infraestructura necesaria crece linealmente, lo que supone un importante reto de ingeniería. Cualquier diseño de ordenador cuántico debe encontrar la manera de entrelazar, controlar y medir eficazmente todos estos qubits a medida que se amplía.
- Corrección cuántica de errores: La corrección cuántica de errores es un esquema de corrección de errores para hacer ordenadores cuánticos tolerantes a fallos mediante el uso de muchos qubits entrelazados juntos para representar un qubit libre de ruido. Esto requiere un gran número de qubits físicos para hacer un qubit tolerante a fallos.
Implementaciones físicas
Existe una enorme variedad de implementaciones físicas de ordenadores cuánticos porque hay muchos sistemas cuánticos diferentes a partir de los cuales se podrían construir. He aquí algunos de los enfoques más utilizados y de mayor éxito:
- Ordenadores cuánticos superconductores: Los qubits superconductores son actualmente el enfoque más popular. Estos qubits están hechos de hilos superconductores con una ruptura en el superconductor llamada unión Josephson. El tipo más popular de qubit superconductor se denomina transmón.
- Ordenadores cuánticos de puntos cuánticos: Los qubits están formados por electrones o grupos de electrones y el sistema de dos niveles está codificado en el espín o carga de los electrones. Estos qubits se construyen a partir de semiconductores como el silicio.
- Computación cuántica óptica lineal: Los ordenadores cuánticos ópticos utilizan fotones de luz como qubits y operan con estos qubits utilizando elementos ópticos como espejos, placas de ondas e interferómetros.
- Ordenadores cuánticos de iones atrapados: Los átomos cargados se utilizan como qubits, y estos átomos están ionizados, es decir, les falta un electrón. El estado de dos niveles que codifica el qubit son los niveles de energía específicos del átomo, que pueden manipularse o medirse con microondas o rayos láser.
- Ordenadores cuánticos de centro de color o de vacantes de nitrógeno: Estos qubits están hechos de átomos incrustados en materiales como el nitrógeno del diamante o el carburo de silicio. Se crean utilizando los espines nucleares de los átomos incrustados y se entrelazan con electrones.
- Átomos neutros en celosías ópticas: Este enfoque captura átomos neutros en una red óptica, que es una disposición entrecruzada de rayos láser. El sistema de dos niveles para los qubits puede ser el nivel de energía hiperfino del átomo o estados excitados.
Estos son algunos de los enfoques clave para construir ordenadores cuánticos, cada uno con sus propias características y desafíos. La informática cuántica está cambiando rápidamente y elegir el enfoque adecuado es vital para el éxito futuro.
Aplicaciones de los ordenadores cuánticos
- Simulación cuántica: Los ordenadores cuánticos tienen el potencial de simular sistemas cuánticos complejos, lo que permite estudiar las reacciones químicas, el comportamiento de los electrones en los materiales y diversos parámetros físicos. Esto tiene aplicaciones en la mejora de paneles solares, baterías, desarrollo de fármacos, materiales aeroespaciales, etc.
- Algoritmos cuánticos: Algoritmos como el Algoritmo de Shor y el Algoritmo de Grover pueden resolver problemas que se consideran intratables para los ordenadores clásicos. Tienen aplicaciones en criptografía, optimización de sistemas complejos, aprendizaje automático e IA.
- Ciberseguridad: Los ordenadores cuánticos suponen una amenaza para los sistemas de cifrado clásicos. Sin embargo, también pueden contribuir a la ciberseguridad mediante el desarrollo de esquemas de cifrado resistentes a los cuánticos. La criptografía cuántica, un campo relacionado con la informática cuántica, puede mejorar la seguridad.
- Problemas de optimización: Los ordenadores cuánticos pueden abordar problemas complejos de optimización con mayor eficacia que los ordenadores clásicos. Esto tiene aplicaciones en diversas industrias, desde la gestión de la cadena de suministro hasta la modelización financiera.
- Previsión meteorológica y cambio climático: Aunque no se detalla completamente en el artículo, los ordenadores cuánticos podrían mejorar potencialmente los modelos de previsión meteorológica y ayudar a abordar los retos relacionados con el cambio climático. Se trata de un área que podría beneficiarse de la computación cuántica en el futuro.
- Criptografía cuántica: La criptografía cuántica aumenta la seguridad de los datos utilizando principios cuánticos para una comunicación segura. En una época de crecientes amenazas cibernéticas, esto es crucial.
Ahora tenemos que tener un poco de cuidado con el potencial de exageración aquí, ya que muchas de las afirmaciones de para qué servirán los ordenadores cuánticos provienen de personas que están recaudando dinero activamente para construirlos.
Pero mi opinión al respecto es que, históricamente, cuando ha surgido una nueva tecnología, la gente de la época no es la más indicada para saber para qué va a servir.
Por ejemplo, la gente que inventó los primeros ordenadores nunca soñó con Internet y todas las cosas que hay en él. Es probable que ocurra lo mismo con los ordenadores cuánticos.
Conclusión
Los ordenadores cuánticos mejoran cada día y, aunque todavía no podemos utilizarlos en nuestra vida cotidiana, tienen potencial para aplicaciones prácticas en el futuro.
En este artículo, he tratado varios aspectos de los ordenadores cuánticos, incluidos sus conceptos fundamentales, como la superposición, el entrelazamiento y la interferencia.
A continuación, exploramos los algoritmos cuánticos, incluidos el algoritmo de Shor y el algoritmo de Grover. También profundizamos en la teoría de la complejidad cuántica y en los distintos modelos de ordenadores cuánticos.
Posteriormente, abordé los retos y los problemas de aplicación práctica asociados a la informática cuántica. Por último, examinamos la amplia gama de aplicaciones potenciales de los ordenadores cuánticos.