Qubits: la base de los ordenadores cuánticos

Los bits son para los ordenadores clásicos lo que los qubits (cúbits, en español) son para los ordenadores cuánticos. A diferencia de los bits binarios, los cúbits pueden estar en el estado 1 y 0 simultáneamente hasta el momento de medición de datos. Se espera que esta propiedad mecánica cuántica elemental revolucione las tecnologías informáticas y permita obtener ordenadores cuánticos con un rendimiento millones de veces superior al de los ordenadores clásicos.

El futuro de la informática está escrito en cúbits. Detrás de esta críptica palabra se encuentra la unidad de cálculo básica y más pequeña posible de la computación cuántica, el “bit cuántico”. Esta unidad es muy diferente del conocido bit de nuestros ordenadores actuales. Los cúbits se definen como sistemas cuánticos de dos estados, es decir, que pueden asumir dos estados simultáneamente. Constituyen la base elemental de los ordenadores cuánticos.

Para entender cómo funcionan los cúbits, primero hay que comprender tres principios esenciales de la mecánica cuántica:

• La superposición se aplica a los sistemas cuánticos que pueden asumir dos estados al mismo tiempo. Esto se puede entender fácilmente mediante el sistema binario: en lugar de 1 o 0, los sistemas cuánticos pueden asumir 1 y 0, así como muchos otros estados intermedios de forma simultánea. Pero solo hasta el momento de medir los datos.
• El entrelazamiento cuántico nombra un fenómeno de la mecánica cuántica que Albert Einstein describió como una “espeluznante acción a distancia”. Se trata de dos o más partículas que se enredan entre sí y crean un sistema global conectado en lugar de estados individuales definidos. Si se realizan cambios en una partícula, éstos tienen efecto en las partículas del sistema conectadas.
• El colapso cuántico es el momento en el que los sistemas que estaban en una superposición indefinida “colapsan” a través de la medición u observación. Así, pasan a un estado definido como 1 o 0.

Los cúbits exhiben los tres principios previos y, por tanto, se encuentran en la informática cuántica. También son la razón por la que gobiernos y empresas como IBM, Google y Microsoft tienen grandes esperanzas en los ordenadores cuánticos. Aunque los ordenadores cuánticos prácticos están todavía muy lejos, se espera que los cúbits abran posibilidades inimaginables para el rendimiento y nuestra comprensión de los ordenadores.

El bit tiene algo en común con el bit cuántico: ambos son la unidad de cálculo y almacenamiento más pequeña de sus respectivos sistemas informáticos. Sin embargo, ahí acaban las similitudes, porque a diferencia de la unidad de medida binaria de los ordenadores clásicos, el bit cuántico es una unidad de medida mecánica cuántica. Pero, ¿qué significa exactamente?

Lo primero que hay que entender es cómo funciona el bit. Como muy tarde, desde que la serie de películas “Matrix” acercó a un público de millones de personas temas complejos como la inteligencia artificiale y las simulaciones informáticas, muchos también están familiarizados con los unos y ceros binarios. Un bit se basa en el código binario y representa la unidad más pequeña de datos en las tecnologías digitales. Los bits pueden asumir el estado 1 (“true/on”) o 0 (“off/false”).

Sin embargo, los bits cuánticos no se basan en un código binario, por lo que no tienen que “decidir”. Desde el punto de vista del concepto mecánico cuántico de superposición, un cúbit se encuentra simultáneamente en el estado 1 y 0. Además, puede asumir numerosos estados intermedios, como “un tercio de 0” o “dos tercios de 1”. Solo en el momento de la medición, los cúbits asumen un estado binario definido debido al colapso cuántico.

Las propiedades mecánicas cuánticas de los cúbits multiplican enormemente la capacidad de cálculo de los ordenadores cuánticos en comparación con los clásicos. Incluso con 2 a la potencia de 500 bits, no es posible procesar la misma cantidad de datos que 500 cúbits pueden manejar sin esfuerzo. A su vez, 31 cúbits corresponden ya a un tamaño de memoria de 32 GB. Con cada cúbit adicional, las unidades de almacenamiento de datos se duplican.

Otro ejemplo: un ordenador que solo calcula con bits necesitaría varios millones de años para calcular los factores primos de un número de 2050 bits. Los ordenadores cuánticos completan este tipo de tareas en pocos minutos resolviéndolas simultáneamente en lugar de una tras otra. Se espera que estas ventajas evidentes sean revolucionarias para el procesamiento y el análisis de grandes y complejas cantidades de datos.

Para que los cúbits puedan utilizarse en los ordenadores cuánticos, hay que generarlos. Mientras que los chips de silicio suelen utilizarse para procesar los bits clásicos, los ordenadores cuánticos requieren nuevas tecnologías. Para ello, se cuestionan varios métodos. Por ejemplo, se “atrapan” iones en campos eléctricos magnéticos o se utilizan fotones, cuasipartículas y átomos artificiales y reales. En el caso de las trampas de iones, los cúbits también se miden con radiación de microondas. Google utiliza chips cuánticos en los que las corrientes que fluyen en un círculo representan cada una un cúbits. También en este caso, los cúbits se miden mediante radiación de microondas.

El uso de cúbits en los ordenadores cuánticos no solo ofrece un rendimiento mucho mayor. También se necesita nuevo hardware, software y nuevos enfoques de programación para procesar los cúbits que se leen y almacenan en las redes cuánticas. Al tratarse de sistemas cuánticos muy volátiles, se necesitan ordenadores que conecten los bits cuánticos de forma fiable y por millones.

Otro aspecto esencial de la actual tecnología de ordenadores cuánticos es la refrigeración adecuada. Como en todos los sistemas informáticos, la generación de cúbits potentes genera calor. Por tanto, para un rendimiento óptimo y seguro, los ordenadores cuánticos deben enfriarse cerca de la temperatura cero absoluta (-273,15 grados Celsius).

Pasarán años antes de que los ordenadores cuánticos prácticos se utilicen en la vida cotidiana. Esto requerirá nuevas tecnologías y un replanteamiento del funcionamiento de los ordenadores. Cuando llegue ese momento, los cúbits ofrecerán numerosas ventajas para diversos fines. Entre ellas se encuentran:

• Comercio electrónico
• Criptografía
• Investigación médica
• Procesamiento, almacenamiento y evaluación de big data y dark data
• Inteligencia artificial (AI)
• Machine learning o aprendizaje automático
• Data mining potente y eficaz.
• Simulaciones cuánticas
• Creación de modelos financieros complejos
• Tecnologías inteligentes
• Conducción autónoma
• Investigación aeroespacial

Si se cree a grandes empresas internacionales como IBM, Google y Microsoft, la llegada de los primeros ordenadores cuánticos prácticos es solo cuestión de tiempo. Inversiones millonarias y empresas dedicadas como Google AI o D-Wave son la prueba de que la computación cuántica es el futuro. El “Eagle” de IBM, con 127 cúbits, es actualmente uno de los ordenadores cuánticos más potentes.

Google AI, por su parte, anunció el 23 de octubre de 2019 que el chip Sycamore de Google resolvió por primera vez tareas en las que los mejores superordenadores fracasaron. Un hito conocido como “Supremacía Cuántica”. Sin embargo, harán falta nuevas tecnologías, software y lenguajes de programación antes de que la superioridad total de los ordenadores cuánticos sea evidente.