Quantum Computing: los superordenadores del futuro

La computación cuántica pretende revolucionar las tecnologías informáticas con la ayuda de la mecánica cuántica. En ordenadores cuánticos, principios como la superposición o el entrelazamiento cuántico se utilizarán en forma de cúbits y crearán ordenadores de alto rendimiento prácticamente ilimitado. Que los ordenadores cuánticos se conviertan en realidad depende de obstáculos tecnológicos como la interconexión de cúbits y los modernos sistemas de refrigeración.

¿Qué es la informática cuántica?

Un fantasma recorre el mundo de la informática: la computación cuántica. Si todas las predicciones son correctas y los ordenadores cuánticos llegan algún día a ser comercializables, se supone que desencadenarán nada menos que una revolución tecnológica. Pero, ¿cómo funcionará esto? A través de las leyes de la mecánica cuántica. Entre ellas se encuentran tres principios en particular, que pueden describirse como los pilares de la computación cuántica:

• Superposición: se refiere a la capacidad de un sistema cuántico de asumir varios estados simultáneamente: 1 y 0 en lugar de 1 o 0.
• Entrelazamiento cuántico: describe un fenómeno mecánico cuántico en el que dos o más partículas están entrelazadas entre sí y forman un sistema global conectado; los cambios realizados en una partícula del sistema cuántico entrelazado afectan automáticamente a todas las partículas conectadas.
• Colapso cuántico: describe el momento en que los sistemas se miden en superposición y, por lo tanto, pasan a un estado definido: de 1 y 0 a 1 o 0.

Los ordenadores clásicos se basan en el principio eléctrico binario de “encendido/apagado” o “1/0”. Los ordenadores cuánticos, en cambio, utilizan estados no binarios, multidimensionales y de mecánica cuántica. A diferencia de los ordenadores clásicos, no resuelven los problemas uno tras otro, sino en paralelo y simultáneamente, incluso con entradas complejas. De este modo, deberían permitir una potencia de cálculo un millón de veces mayor y una reducción significativa en los tiempos de cálculo.

Si todo va según lo previsto, los ordenadores cuánticos supondrán un salto evolutivo tecnológico que se dejará sentir en todos los ámbitos relacionados con el procesamiento de datos complejos. Entre ellos se encuentran el comercio electrónico, la criptografía, la medicina, las transacciones financieras, así como el big data, la inteligencia artificial (IA) y el machine learning.

¿Cómo funciona la informática cuántica?

La computación cuántica no es fácil de entender. En lugar de bits binarios, los ordenadores cuánticos utilizan cúbits (bits cuánticos) para resolver problemas matemáticos y procesar conjuntos de datos. El clásico bit se basa en código binario.

Un bit solo puede asumir uno de dos estados: 1 o 0. Los cúbits, en cambio, funcionan de forma no binaria y asumen ambos estados simultáneamente: 1 y 0. En comparación con los ordenadores de sistema binario, el enfoque mecánico cuántico multiplica por millones el potencial de rendimiento de los ordenadores cuánticos. Los cúbits no solo pueden asumir los estados 1 y 0 simultáneamente, sino también un número infinito de estados intermedios. Como los ordenadores cuánticos procesan la información de forma simultánea, son capaces de resolver tareas complejas que son irresolubles para los ordenadores clásicos.

Superposición y entrelazamiento cuántico

Una imagen sencilla para ilustrarlo: imagina el funcionamiento de los ordenadores clásicos y de los ordenadores cuánticos como el lanzamiento de una moneda. Los ordenadores clásicos dependen de cómo caiga la moneda. Así que solo pueden entender el estado cara (que representa el 0) o cruz ( que representa el 1). Los ordenadores cuánticos, en cambio, utilizan una moneda que nunca cae, sino que gira constantemente en el aire y siempre sale cara y cruz al mismo tiempo. Es decir, se encuentra en estado de superposición.

Solo después de realizar una medición, los cúbits asumen un estado binario. Imagina de nuevo la moneda flotante. Mientras nadie observe la moneda, gira en el aire y muestra cara y cruz al mismo tiempo. Si se realiza la observación o la medición del estado, la moneda cae al suelo y muestra cara o cruz. Además, los cúbits de los ordenadores cuánticos están entrelazados entre sí. Es decir, si un cúbit cambia, los cúbits conectados también cambian debido al entrelazamiento cuántico. Esto aumenta la velocidad de cálculo de los ordenadores cuánticos. A continuación, varios cúbits se combinan en registros cuánticos de bits binarios para realizar operaciones de cálculo.

¿Cuánta más potencia ofrecen los ordenadores cuánticos?

La ciencia y la industria tienen grandes esperanzas en el rendimiento de los ordenadores cuánticos. Algunos científicos esperan incluso que puedan utilizarse para simular el Big Bang y demostrar la existencia de universos paralelos. Una cosa es cierta: a pesar de los desafíos técnicos, los ordenadores cuánticos ofrecen un potencial ilimitado. Un cúbit, por ejemplo, tiene más del doble de capacidad de cálculo que un bit, ya que puede asumir simultáneamente los estados 1 y 0 y numerosos estados intermedios. Con cada cúbit adicional, la potencia de cálculo se multiplica. Tres cúbits pueden asumir ocho estados en paralelo, 300 cúbits ya son dos a la potencia de 300 estados.

¿Cuáles son las ventajas y desventajas de la computación cuántica?

Posibles áreas de aplicación de los ordenadores cuánticos

Pasarán varios años antes de que los ordenadores cuánticos se utilicen en la práctica. Sin embargo, debido a sus ventajas para los sistemas de datos complejos y el procesamiento de datos, se pueden prever las siguientes áreas de aplicación:

• Simulaciones cuánticas para las ciencias naturales y la medicina
• Química cuántica y biología cuántica
• Creación de modelos financieros complejos
• Optimización de la inteligencia artificial y de los sistemas de autoaprendizaje
• Optimización de las técnicas de cifrado en criptografía
• Tecnologías inteligentes, como redes, ciudades y casas inteligentes
• Conducción autónoma
• Data mining
• Aeroespacial

Obstáculos técnicos para los ordenadores cuánticos

La principal razón por la que los ordenadores cuánticos están todavía en fase de desarrollo son los requisitos técnicos. Por ejemplo, los cúbits son sistemas cuánticos muy sensibles y volátiles. Para obtener los resultados más precisos posibles, los ordenadores cuánticos deben ser capaces de entrelazar de forma fiable millones de cúbits entre sí. Otro obstáculo: los ordenadores cuánticos solo pueden funcionar cerca de la temperatura cero absoluta (-273,15 grados Celsius). Solo para enfriar los chips cuánticos actuales se necesitan días y sistemas de refrigeración de última generación.

En comparación con los algoritmos conocidos, los algoritmos cuánticos para resolver problemas complejos y para el procesamiento de datos se basan en fundamentos totalmente nuevos. Entre ellas, la formación de unidades de cálculo y almacenamiento multidimensionales y espacios de simulación, de los que no son capaces los ordenadores actuales. Por esta razón, se necesitará nuevo hardware y software para que los ordenadores cuánticos traduzcan y procesen los conjuntos de datos en formas aptas para los cúbits. La forma de programar, así como los lenguajes de programación, también tomarán nuevos caminos para cumplir con los principios de la mecánica cuántica.

¿En qué punto se encuentra la informática cuántica hoy en día?

El concepto de la computación cuántica apareció por primera vez en 1980, cuando el físico Paul Benioff describió una variante mecánica cuántica de la máquina de Turing. El físico teórico Richard Feynman y el matemático Yuri Manin formularon finalmente el potencial de rendimiento de los ordenadores cuánticos en comparación con los clásicos a finales de los años 80. Desde entonces, el interés por los ordenadores cuánticos no ha dejado de crecer. Prueba de ello es que tanto los gobiernos como empresas, por ejemplo IBM, Google y Microsoft, están trabajando intensamente en la realización de la computación cuántica e invirtiendo millones.

IBM lanzó un ordenador cuántico de 20 cúbits en 2019. Google, por su parte, proclamó la consecución de la “Supremacía Cuántica” con el chip Sycamore el 23 de octubre de 2019 en una colaboración entre Google AI y la NASA. Se dice que Sycamore ha resuelto por primera vez tareas que ni siquiera los mejores superordenadores clásicos pueden resolver. En 2020, IBM anunció finalmente que había desarrollado uno de los mayores ordenadores cuánticos llamado “Hummingbird” con 65 cúbits. En 2021, le siguió el modelo “Eagle” de IBM con 127 cúbits.

A principios de 2023 se pudo resolver otro gran problema de la computación cuántica: transferir los datos de un ordenador cuántico de forma eficiente y coherente entre chips solía ser una tarea difícil, pero eso ha cambiado. Ahora, tras el avance logrado, puede obtenerse un porcentaje de éxito de hasta el 99,999993 % al transferir los datos entre dos chips.

A pesar del constante desarrollo de los superordenadores, todavía no se puede esperar que sustituyan por completo a los ordenadores clásicos. Mucho más probable es un enfoque híbrido con una combinación de ordenadores clásicos y ordenadores cuánticos. Esto ofrece la ventaja de que los ordenadores cuánticos ofrecen resultados iniciales a partir de enormes cantidades de datos, que antes los superordenadores clásicos, más precisos, procesaban según el principio binario.