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Computadoras cuánticas: qué son, cómo funcionan y para qué sirven

Vivimos en una era en la que el desarrollo de las nuevas tecnologías avanza a pasos agigantados. Tal es el punto que existen computadoras que han ido más allá de la informática clásica y se sustentan en las leyes de la mecánica cuántica, cuyo principio fundamental consiste en que un sistema físico pueda encontrarse en dos estados diferentes en el mismo instante de tiempo en el cual no está siendo medido o alterado.

¿Qué significa todo esto? ¿Por qué puede ser útil en la rama de la informática? Los usuarios han oído hablar de las computadoras cuánticas de Google y cómo pueden suponer una amenaza para la seguridad de las criptomonedas, como el Bitcoin, pero muchos de ellos todavía no tienen claro el concepto de computación cuántica y para qué se utiliza. En este artículo resolvemos todas las dudas.

¿Qué son las computadoras cuánticas?

Para entender bien este concepto debemos tratar de aproximarnos a las leyes fundamentales de la mecánica cuántica y olvidarnos de cómo muchos de nosotros entendemos el mundo. Esto es, de manera determinista, a través de la mecánica clásica. Esta última se basa en la obtención de resultados inequívocos en aplicación de las leyes de la física a partir de unas condiciones iniciales. Sin embargo, en la mecánica cuántica el efecto final es probabilístico, no una certeza. Como hemos mencionado antes, su principal premisa es la superposición de estados, es decir, una partícula puede presentar más de un estado a la vez siempre y cuando no esté siendo evaluada. En el momento que se la observa, colapsa y concluye en un único estado. Por tanto, en este caso la propiedad a medir depende de la medida en sí. O lo que es lo mismo, también influye la intervención del investigador que realiza el experimento.

Sin profundizar más en la complejidad de la física cuántica, vamos a ver qué relación tiene todo esto con el campo de la informática. En palabras del eminente Premio Nobel de Física Richard Feynman: “Si crees que entiendes la física cuántica, en realidad no entiendes la física cuántica”.

Las computadoras cuánticas son máquinas capaces de procesar información hasta 100 billones de veces más rápido que una computadora normal. Esto es posible debido a la incorporación de los qubits, en contraposición a los dígitos binarios o bits que emplea un ordenador tradicional.

Sabemos que la unidad básica de medida de la información que permite el funcionamiento de un ordenador es el bit y sus respectivas secuencias. Desde un punto de vista físico representan dos posibles estados: 0 o 1. En el caso de los qubits, hablamos de bits cuánticos, formados por partículas subatómicas. Estas se pueden codificar en los dos estados en el mismo instante temporal, aumentando significativamente el número de cálculos posibles por unidad de tiempo e incrementando de manera exponencial la capacidad de procesamiento.

¿Cómo funciona una computadora cuántica?

Por lo que respecta al funcionamiento de estas máquinas, en cierto modo se puede equiparar al de un ordenador tradicional. No obstante, tenemos que tener en cuenta que no cuentan con un hardware convencional y la principal diferencia radica en el uso de los qubits.

Como sabemos, los ordenadores funcionan con código binario y absolutamente todas las operaciones que realizan parten de la lectura de una secuencia de bits. Esto se debe a la presencia de puertas lógicas y de un sistema de transistores en su interior que funcionan a modo de interruptores y que pueden contener dos niveles de voltaje, representado cada uno de ellos por un 0 o un 1. Además de guardar la información mediante cargas eléctricas, también se almacena como cargas magnéticas (como es el caso del disco duro) o mediante la luz láser en los dispositivos ópticos.

En el caso de las computadoras cuánticas, estas cuentan con procesos más complejos. El bit cuántico está en la superposición de los dos dígitos binarios, es decir, tiene una cierta probabilidad de estar en 0 y otra en 1. Además, tiene lugar el entrelazado cuántico, que establece correlaciones sólidas entre ellos y permite que ambos existan en un mismo estado cuántico a pesar de la distancia. Sabemos que es capaz de almacenar valores continuos, y que ello da pie a realizar operaciones aritméticas con muchas combinaciones en un tiempo mínimo, así como a una gran cantidad de posibles resultados de manera simultánea. Estos dispositivos cuentan con puertas lógicas especiales que además son reversibles. Por tanto, en todas las operaciones el número de salidas es igual al número de sus entradas.

Hay que tener muy presente que todo esto resulta extremadamente complejo y que mantener la coherencia cuántica en estas máquinas no es una labor sencilla, ya que los qubits requieren de un espacio, materiales y una temperatura específicos. Además, como hemos visto anteriormente, la propia interacción con el sistema perturba el resultado final. Por todo ello, a pesar de los avances, todavía siguen suponiendo todo un desafío científico.

¿Para qué sirve una computadora cuántica?

Las computadoras cuánticas podrían suponer grandes avances en distintos campos como el diseño de nuevos materiales, la optimización de procesos financieros, la aceleración del proceso de creación de medicamentos a través de la química, la inteligencia artificial y el machine learning, misiones de robótica en el espacio, etc. También una gran cantidad de soluciones más para las que, a día de hoy, las computadoras convencionales resultan demasiado limitadas. Eso sí, todavía queda mucho por investigar y pulir hasta que se puedan utilizar estos sistemas a gran escala.

Otro de los ámbitos en los que han sonado mucho estos poderosos equipos es en el de las criptomonedas. Hay quien afirma que podrían suponer un riesgo para la seguridad de las monedas virtuales. Si bien es cierto que un ordenador cuántico podría descifrar nuestras claves en cuestión de minutos, esta tecnología todavía no está lo suficientemente avanzada. En el momento en que ese desarrollo se lleve a cabo habría que modificar los algoritmos criptográficos y adaptarlos e invertir en mayores recursos de computación y seguridad.

Actualmente varias grandes empresas luchan por alcanzar la supremacía, o ventaja cuántica. Mismamente, en CES 2019, IBM presentó la primera computadora cuántica comercial, IBM Q System One, que promete resolver problemas relacionados con el sector energético, financiero e industrial. Google, por su parte, también creó un dispositivo avanzado, Sycamore, capaz de completar en 200 segundos una tarea que nuestra computadora tardaría 10000 años en llevar a cabo. China, con la creación del equipo Jiuzhang, afirma estar a la altura del gigante. Ahora solo queda esperar y el tiempo dirá si realmente se ha alcanzado dicha ventaja y podemos darle una aplicación práctica a la computación cuántica.
Foto: © Everypixel

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