Una computadora cuántica aprovecha algunos de los fenómenos casi místicos de la mecánica cuántica para ofrecer grandes avances en la potencia de procesamiento. Las máquinas cuánticas prometen superar incluso a las supercomputadoras más capaces de hoy y de mañana.
Sin embargo, no acabarán con las computadoras convencionales. El uso de una máquina clásica seguirá siendo la solución más fácil y económica para abordar la mayoría de los problemas. Pero las computadoras cuánticas prometen impulsar avances emocionantes en varios campos, desde la ciencia de los materiales hasta la investigación farmacéutica.
Las empresas ya están experimentando con ellos para desarrollar cosas como baterías más ligeras y potentes para coches eléctricos, y para ayudar a crear fármacos novedosos. El secreto del poder de una computadora cuántica radica en su capacidad para generar y manipular bits cuánticos o qubits.
¿Qué es un qubit?
Las computadoras de hoy usan bits, un flujo de pulsos eléctricos u ópticos que representan 1 s o 0 s. Todo, desde sus tweets y correos electrónicos hasta sus canciones de iTunes y videos de YouTube, son esencialmente cadenas largas de estos dígitos binarios.
Las computadoras cuánticas, por otro lado, usan qubits, que son típicamente partículas subatómicas como electrones o fotones. Generar y administrar qubits es un desafío científico y de ingeniería. Algunas empresas, como IBM, Google y Rigetti Computing, utilizan circuitos superconductores enfriados a temperaturas más frías que el espacio profundo.
Otros, como IonQ, atrapan átomos individuales en campos electromagnéticos en un chip de silicio en cámaras de vacío ultra alto. En ambos casos, el objetivo es aislar los qubits en un estado cuántico controlado.
Los qubits tienen algunas propiedades cuánticas extravagantes que significan que un grupo conectado de ellos puede proporcionar mucha más potencia de procesamiento que la misma cantidad de bits binarios. Una de esas propiedades se conoce como superposición y otra se llama entrelazamiento.
¿Qué es la superposición?
Los qubits pueden representar numerosas combinaciones posibles de 1 y 0 al mismo tiempo. Esta capacidad de estar simultáneamente en múltiples estados se llama superposición. Para superponer los qubits, los investigadores los manipulan utilizando láseres de precisión o rayos de microondas.
Gracias a este fenómeno contrario a la intuición, una computadora cuántica con varios qubits en superposición puede procesar una gran cantidad de resultados potenciales simultáneamente. El resultado final de un cálculo surge solo una vez que se miden los qubits, lo que inmediatamente hace que su estado cuántico «colapse» a 1 o 0 .
¿Qué es el enredo?
Los investigadores pueden generar pares de qubits que están «entrelazados», lo que significa que los dos miembros de un par existen en un solo estado cuántico. Cambiar el estado de uno de los qubits cambiará instantáneamente el estado del otro de una manera predecible. Esto sucede incluso si están separados por distancias muy largas.
Nadie sabe realmente cómo o por qué funciona el entrelazamiento. Incluso desconcertó a Einstein, quien lo describió como una «acción espeluznante a distancia». Pero es clave para el poder de las computadoras cuánticas.
En una computadora convencional, duplicar el número de bits duplica su poder de procesamiento. Pero gracias al entrelazamiento, agregar qubits adicionales a una máquina cuántica produce un aumento exponencial en su capacidad para procesar números.
Las computadoras cuánticas aprovechan los qubits entrelazados en una especie de cadena cuántica para hacer funcionar su magia. La capacidad de las máquinas para acelerar los cálculos utilizando algoritmos cuánticos especialmente diseñados es la razón por la que hay tanto ruido sobre su potencial.
Esa es la buena noticia. La mala noticia es que las máquinas cuánticas son mucho más propensas a errores que las computadoras clásicas debido a la decoherencia.
¿Qué es la decoherencia?
La interacción de los qubits con su entorno de formas que hacen que su comportamiento cuántico decaiga y finalmente desaparezca se llama decoherencia. Su estado cuántico es extremadamente frágil. La más mínima vibración o cambio de temperatura (perturbaciones conocidas como «ruido» en el habla cuántica) puede hacer que se salgan de la superposición antes de que su trabajo se haya realizado correctamente. Es por eso que los investigadores hacen todo lo posible para proteger los qubits del mundo exterior en esos refrigeradores y cámaras de vacío sobreenfriados.
Pero a pesar de sus esfuerzos, el ruido todavía causa muchos errores que se introducen en los cálculos. Los algoritmos cuánticos inteligentes pueden compensar algunos de estos, y agregar más qubits también ayuda. Sin embargo, es probable que se necesiten miles de qubits estándar para crear uno único y altamente confiable, conocido como qubit «lógico». Esto minará gran parte de la capacidad computacional de una computadora cuántica.
Y ahí está el problema: hasta ahora, los investigadores no han podido generar más de 128 qubits estándar. Así que todavía estamos a muchos años de obtener computadoras cuánticas que serán ampliamente útiles. Eso no ha mermado las esperanzas de los pioneros de ser los primeros en demostrar la «supremacía cuántica».
¿Qué es la supremacía cuántica?
Es el punto en el que una computadora cuántica puede completar un cálculo matemático que está fuera del alcance de la supercomputadora más poderosa.
Todavía no está claro exactamente cuántos qubits se necesitarán para lograr esto porque los investigadores siguen encontrando nuevos algoritmos para mejorar el rendimiento de las máquinas clásicas y el hardware de supercomputación sigue mejorando. Pero los investigadores y las empresas están trabajando duro para reclamar el título, realizando pruebas contra algunas de las supercomputadoras más poderosas del mundo.
Hay mucho debate en el mundo de la investigación sobre cuán importante será lograr este hito. En lugar de esperar a que se declare la supremacía, las empresas ya están comenzando a experimentar con computadoras cuánticas fabricadas por empresas como IBM, Rigetti y D-Wave, una firma canadiense.
Empresas chinas como Alibaba también ofrecen acceso a máquinas cuánticas. Algunas empresas están comprando computadoras cuánticas, mientras que otras están utilizando las que están disponibles a través de servicios de computación en la nube.
¿Dónde es probable que una computadora cuántica sea más útil primero?
Una de las aplicaciones más prometedoras de las computadoras cuánticas es la simulación del comportamiento de la materia hasta el nivel molecular. Los fabricantes de automóviles como Volkswagen y Daimler están utilizando computadoras cuánticas para simular la composición química de las baterías de los vehículos eléctricos para ayudar a encontrar nuevas formas de mejorar su rendimiento. Y las compañías farmacéuticas los están aprovechando para analizar y comparar compuestos que podrían conducir a la creación de nuevos medicamentos.
Las máquinas también son excelentes para problemas de optimización porque pueden procesar una gran cantidad de soluciones potenciales extremadamente rápido. Airbus, por ejemplo, los está utilizando para ayudar a calcular las rutas de ascenso y descenso más eficientes en combustible para aviones.
Y Volkswagen ha presentado un servicio que calcula las rutas óptimas para autobuses y taxis en las ciudades con el fin de minimizar la congestión. Algunos investigadores también creen que las máquinas podrían usarse para acelerar la inteligencia artificial.
Las computadoras cuánticas podrían tardar varios años en alcanzar su máximo potencial. Las universidades y las empresas que trabajan en ellos se enfrentan a una escasez de investigadores calificados en el campo y una falta de proveedores de algunos componentes clave. Pero si estas nuevas y exóticas máquinas informáticas cumplen su promesa, podrían transformar industrias enteras y acelerar la innovación global.
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1 comentario en «¿Qué es una computadora cuántica, qué ventajas tienen?»