Es común escuchar que desde el momento en que sea accesible, cambiará muchas cosas en el día a día de las personas, en el descubrimiento de respuestas que la ciencia aún no tiene, en definitiva, viviremos en una era de posibilidades difíciles de imaginar en los avances tecnológicos. Estamos hablando de computación cuántica.
El tema no es nuevo, pero fue solo después del éxito en la producción de las primeras computadoras cuánticas, por parte de algunas empresas, que comenzó a ganar protagonismo más allá de la comunidad científica.
Incluso para aquellos que están en el campo, la computación cuántica está lejos de ser un tema simple y por eso intentaremos aclarar solo los aspectos más básicos y responder preguntas como cuáles son las diferencias entre la computación que ya forma parte de nuestro día a día. vive y por qué se ha vuelto tan prometedor.
¿Qué es la computación cuántica?
La computación cuántica es la búsqueda para procesar información (datos) utilizando algoritmos e infraestructura que se basan en los principios de la física cuántica.
Tan simple como es esta definición, está lejos de ser esclarecedora, lo que ilustra el desafío que tenemos por delante.
Por lo tanto, vayamos por partes, tratando de entender algunos de los conceptos involucrados.
Entre las distintas áreas de la Física, la Cuántica se encarga de determinar el comportamiento y las leyes de la Física a nivel del átomo y, por tanto, a nivel microscópico. A lo largo del último siglo, con el descubrimiento y estudio de diversas partículas subatómicas (protones, electrones, etc.), hemos conocido nuevos comportamientos que amplían lo conocido en términos de las leyes de la Física denominada “clásica”.
Por ejemplo, por el principio de incertidumbre de Heisenberg , al medir la posición y el momento de un electrón, es posible tener con precisión solo uno de los datos, es decir, al obtener uno de ellos, se pierde la certeza sobre el otro.
El principio de Heisenberg, sumado al experimento imaginario del “ Gato de Schrödinger ”, según el cual un gato confinado en una caja, que no permite ver su interior y que contiene un vial de veneno que puede ser liberado o no, por un evento aleatorio, como la desintegración radiactiva y que genera la duda de si el gato está vivo o muerto al abrir la caja, son conceptos que subyacen en la Física Cuántica.
Según la proposición del físico austriaco Erwin Schrödinger, el gato puede asumir ambas condiciones, es decir, vivo y muerto, condición que los físicos cuánticos denominan superposición. Sólo al abrir la caja se termina la condición y se produce el descubrimiento.
Por cuantas veces se realice el experimento, se pueden tener diferentes ocurrencias de ambas situaciones.
Pensar en un gato, o cualquier otro animal, teniendo ambos estados al mismo tiempo, contradice lo que estamos acostumbrados y por eso, consideremos otra situación que nos es familiar.
Piense en el lanzamiento de una moneda y las familiares caras o cruces.
A medida que la moneda gira y más rápido lo hace, es posible ver las imágenes de la cara en relación con cara y cruz, como si estuviera mostrando ambas. Es una ilusión óptica, cierto, pero visualmente parece que es cara y cruz al mismo tiempo.
Solo cuando la moneda se detiene y cae con un lado hacia arriba, hay definición.
Sin embargo, ya sea al abrir la caja del Gato de Schrödinger, o al detener la moneda, ya no tenemos la situación cuántica, sino el comportamiento descrito en la Mecánica Clásica.
Esto aún no es computación cuántica, pero explica los principios que nos ayudarán a entenderlo, ¡comenzando con qubits!
¿Qué son los qubits?
De la misma manera que en la computación a la que estamos acostumbrados tenemos una unidad elemental que es el bit, un número binario que varía entre 0 y 1, en la computación cuántica tenemos el correspondiente y que se llama qubit, que es el unión de bit cuántico o bit cuántico.
La diferencia entre ambos es que en el caso de un qubit puede ser tanto el 0 como el 1, o la citada superposición de ambos, o si lo prefieres el 0 y el 1 a la vez ¡Bingo!
Por eso citamos el gato de Schrödinger o las dos caras de la moneda como ejemplos de superposición.
En el cómputo que aquí llamaremos clásico, 8 bits corresponden a un byte, que a su vez es un número binario entre 00000000 y 11111111, siendo el primero equivalente al número cero en el sistema decimal y el segundo al número 255.
Para los que aún recuerdan la clase de matemáticas, el número de posibilidades es una potencia de base 2, siendo el exponente el número de posiciones binarias, o 28, o 256 números diferentes.
Pero para que sea más fácil de entender, consideremos solo 3 bits clásicos y, por lo tanto, que pueden producir 8 números binarios diferentes y sus respectivos decimales:
000 = 0
001 = 1
010 = 2
011 = 3
100 = 4
101 = 5
110 = 6
111 = 7
Sin embargo, debido a la propiedad de superposición, 3 qubits pueden asumir al mismo tiempo las 8 variaciones de los 3 bits clásicos y así encontrar un valor que varía entre 000 y 111 en computación cuántica, puede ser hasta 8 veces más rápido en este ejemplo. .
En el caso de un byte, y por tanto 8 posiciones y 256 variaciones, 8 qubits pueden ocupar 1/256 del tiempo.
Si no fuera obvio, una computadora cuántica de 64 qubits puede ser 264 veces más rápida que una de 64 bits.
¿Cómo obtener superposición?
Si está claro qué es la superposición, el siguiente paso es obtenerla.
En la informática tradicional, es simple.
El 0 (cero) se obtiene por la ausencia de corriente eléctrica y el 1 (uno) por la presencia de corriente, o “no” y “sí”, respectivamente en términos lógicos.
Pero en términos cuánticos, la superposición no es la media ni el término medio, o incluso si se prefiere, si en el sistema en cuestión se usan 0 voltios para corresponder a 0 y 5 voltios a 1, la respuesta al qubit en términos eléctricos, no 2,5 voltios. Pero tampoco es posible tener 0 y 5 voltios al mismo tiempo.
Así que ¿cómo se hace?
Es un paradigma a romper y nos obliga a utilizar un modelo diferente.
¿Recuerdas que dijimos al principio que la computación cuántica se basa en la Física Cuántica y esta a su vez se basa en el comportamiento a nivel atómico?
Pues se utilizan propiedades de las partículas atómicas, como el espín o los fotones de luz . Pero esto está influenciado por factores externos, como la energía térmica, y aquí es donde comienzan algunos de los desafíos para producir una computadora de este tipo.
Los modelos más exitosos hasta ahora necesitan operar cerca del cero absoluto, o 0 grados Kelvin y que corresponde a aproximadamente -273 en la escala Celsius, lo cual es muy difícil de lograr, incluso en los laboratorios modernos.
Esta temperatura es necesaria, como lo es cuando la energía cinética -ligada al movimiento- y la energía térmica son iguales a cero, para que las partículas del átomo no vean alterado su comportamiento por el calor del ambiente, por ejemplo.
Pero incluso otros factores, como la presencia de luz o el nivel de emisión radiactiva, pueden cambiar la entropía del sistema e impedir que se alcancen las condiciones para producir superposición.
Por lo tanto, los sistemas deben estar en sistemas completamente eficientes en cuanto al aislamiento del medio ambiente, sus influencias y el uso de elementos químicos apropiados para simular las condiciones necesarias.
¿La computación cuántica ya es una realidad?
A pesar de las dificultades, la computación cuántica ya es una realidad.
Quizá todavía esté lejano el día en que tengamos un ordenador cuántico sustituyendo al portátil doméstico, los smartphones utilicen procesadores de este tipo o incluso los centros de datos o las grandes multinacionales retiren servidores basados en arquitecturas actuales.
Las principales big tech llevan algunos años invirtiendo millones y ya han conseguido resultados que confirman la teoría, como es el caso de IBM, a través de IBM Q , Google y el procesador cuántico Sycamore y Microsoft Q# , un lenguaje de desarrollo para la nueva era . aplicaciones
Hay otras empresas que no son tan conocidas, pero que ya tienen proyectos en fase avanzada y con usos prácticos, como es el caso de D Wave .
Sin embargo, lo que ya se está haciendo en concreto es todavía bastante específico. Los primeros sistemas están destinados a usos muy especializados, como intentar resolver problemas demasiado difíciles o incluso imposibles para los superordenadores tradicionales, como, por ejemplo, romper un cifrado de 2048 bits, lo que requeriría un tiempo inviable (millones de años). ) para sistemas tradicionales.
En esta línea, el Sycamore de Google, que fue construido para resolver únicamente los resultados de una reacción química, tardando 200 segundos en hacerlo, pero que requeriría 10.000 años de un superordenador clásico. Si en cambio se le pusiera a hacer simples cálculos matemáticos, perdería.
Dadas algunas de las características de las computadoras cuánticas, algunas de las áreas que deberían beneficiarse de su evolución, tenemos la Inteligencia Artificial y el Aprendizaje Profundo , la investigación científica en el área de medicamentos y enfermedades ligadas a mutaciones cromosómicas, la seguridad digital, solo por nombrar algunos.
A pesar de un futuro prometedor en varias áreas, todavía debemos estar lejos del día en que las computadoras cuánticas sean accesibles y capaces de hacer las miles de cosas que puede hacer su teléfono inteligente.
Conclusión
La Computación Cuántica es un nuevo paradigma en el área al romper con los modelos y conceptos a los que estamos acostumbrados de cómo es y funciona una computadora.