Entiende qué son los cúbits y la computación cuántica

La evolución informática avanza, pero ¿qué son los cúbits y la computación cuántica?

La primera vez que escuchas acerca de los cúbits y la computación cuántica, podrías imaginarte que se trata de un par de extravagantes conceptos de ciencia ficción en lugar de un tema noticioso serio. Pero cuando la frase comienza a aparecer con frecuencia es comprensible preguntarse qué exactamente son las computadoras cuánticas, y es igual de comprensible no tener idea de por dónde empezar. Aquí te presentamos un resumen de qué son, por qué tanto alboroto y qué podrían representar para ti.

¿Qué es la computación cuántica y cómo funciona?

Todo lo relacionado con la informática funciona con bits, la unidad de información más pequeña que está codificada como un estado “activado” o “desactivado”. Lo más común es referirse a ellos como un 1 o un 0. Un bit casi siempre adopta la forma física de una señal eléctrica que viaja por los circuitos de la tarjeta madre de una computadora. Al unir múltiples bits podemos representar cosas más complejas y útiles como texto, música y más.

Cúbits y la computación cuántica
IBM Research

Las dos principales diferencias entre los bits cuánticos y los “clásicos” (los de los equipos que actualmente usamos) son la forma física que adoptan y, a su vez, la naturaleza de los datos codificados en ellos. Los bits eléctricos de una computadora clásica solo pueden existir en un estado o el otro, ya sea 1 o 0.

Los bits cuánticos o cúbits están hechos de partículas subatómicas, específicamente fotones o electrones. Ya que estas partículas subatómicas se ajustan más a las reglas de la mecánica cuántica que a la mecánica clásica, exhiben las extrañas propiedades de las partículas cuánticas. Para los científicos informáticos, la propiedad más destacada es la superposición. Esta es la idea de que una partícula puede existir en múltiples estados simultáneamente, al menos hasta que su estado sea medido y colapse en un solo estado. Al aprovechar esta propiedad de superposición, los científicos informáticos pueden codificar los cúbits con un 1 y un 0 al mismo tiempo.

La otra peculiaridad mecánica cuántica que mueve a las computadoras cuánticas es el entrelazamiento, un vínculo entre dos partículas cuánticas o, en este caso, dos cúbits. Cuando dos partículas se entrelazan, el cambio de estado de una alterará el estado de la otra de una forma predecible, cosa útil a la hora de hacer que una computadora cuántica calcule la respuesta a un problema.

Cuando la computadora empieza a resolver un problema, los cúbits de una computadora cuántica comienzan en su estado híbrido de 1-y-0. Al hallar la solución, los cúbits en superposición colapsan en la orientación correcta de 1s y 0s estables.

¿Cuál es el beneficio de la computación cuántica?

Aparte del hecho de que se encuentran muy lejos del alcance de todos los equipos de investigación fuera de los más selectos (y ese probablemente será el caso por un tiempo), la mayoría de nosotros no tiene gran cosa que hacer con una computadora cuántica. Para las cosas que hacemos casi todo el tiempo, no ofrecen ninguna ventaja real sobre los equipos clásicos.

Pero hasta las supercomputadoras más formidables se las ven difíciles para resolver ciertos problemas, debido a su complejidad computacional inherente. Esto se debe a que algunos cálculos solo pueden lograrse por medio de la fuerza bruta, adivinando hasta encontrar la respuesta. Se obtienen tantas soluciones posibles que todas las supercomputadoras del mundo juntas tardarían miles de años en hallar la correcta.

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IBM Research

La propiedad de superposición que exhiben los cúbits puede permitir que las supercomputadoras disminuyan vertiginosamente ese tiempo. Los laboriosos cálculos de prueba y error de la computación clásica no pueden hacer más de un intento a la vez, mientras que el doble estado de 1-y-0 de los cúbits de una computadora cuántica permite que haya múltiples intentos al mismo tiempo.

Y bien, ¿qué tipos de problemas necesitan todos estos cálculos que consumen tanto tiempo? Un ejemplo es la simulación de estructuras atómicas, especialmente cuando interactúan químicamente con las de otros átomos. Con una computadora cuántica, los investigadores de ciencia de materiales podrían crear nuevos compuestos para ser usados en ingeniería y manufactura. Las computadoras cuánticas también son capaces de simular otros sistemas intrincados como fuerzas del mercado económico, dinámicas astrofísicas o patrones de mutación genética en organismos, por poner algunos ejemplos.

Sin embargo, entre todos los usos generalmente inofensivos de esta tecnología reciente, existen algunos usos que despiertan preocupaciones serias. Por mucho, el daño más mencionado es su potencial para romper algunos de los algoritmos de cifrado más fuertes que se usan actualmente.

En manos de un gobierno agresivo, las computadoras cuánticas podrían poner en riesgo una amplia extensión de tráfico de internet que de otro modo sería seguro, dejando comunicaciones delicadas vulnerables a la vigilancia. Actualmente se está trabajando en madurar los códigos de cifrado con base en cálculos que aún son complicados hasta para las computadoras cuánticas, pero todavía no están listos.

¿Es posible la computación cuántica?

Hace poco más de una década, la fabricación de computadoras cuánticas apenas comenzaba. Después del 2010, el desarrollo de prototipos de computadoras cuánticas despegó. Varias compañías han ensamblado computadoras cuánticas operacionales; IBM incluso ha permitido que investigadores y aficionados utilicen sus propis programas en una a través de la nube.

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Brad Jones/Digital Trends

A pesar de los avances que compañías como IBM han logrado para crear prototipos operacionales, las computadoras cuánticas continúan en su infancia. Actualmente, las computadoras cuánticas que han construido los equipos de investigación requieren de mucha inversión para ejecutar la corrección de errores. Por cada cúbit que realiza un cálculo, hay varias decenas cuya función es compensar los errores de ese. La suma de todos esos cúbits es conocida como un “cúbit lógico”.

En pocas palabras, titanes académicos y de la industria han logrado que las computadoras cuánticas funcionen, pero muy ineficazmente.

¿Quién tiene una computadora cuántica?

Hay una encarnizada competencia entre investigadores. Entre aquellos que tienen computadoras cuánticas que funcionan están las compañías de tecnología dominantes que uno esperaría: IBM, Intel, Microsoft y Google.

Pese a lo complicado y costoso que es crear una computadora cuántica, hay una cantidad sorprendente de compañías pequeñas y hasta startups enfrentando el reto.

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Según a quién le preguntes, te dirán un líder diferente en la carrera por la computadora cuántica “más poderosa”. Google indudablemente defendió su posición recientemente al alcanzar la supremacía cuántica, una medida más o menos concebida por Google. La supremacía cuántica es el punto en el que una computadora cuántica logra superar a una computadora clásica en algún cálculo. El prototipo Sycamore de Google, equipado con 54 cúbits, logró romper esa barrera al resolver en menos de tres minutos y medio un problema que a la supercomputadora clásica más poderosa le tomaría 10,000 años.

D-Wave Systems no se queda atrás, presumiendo que los equipos que pronto dará al Laboratorio Nacional de Los Álamos disponen de 5,000 cúbits cada uno, aunque hay que señalar que la calidad de los cúbits de D-Wave ya ha sido cuestionada antes. IBM no ha hecho ningún anuncio llamativo como Google y D-Wave en años recientes, aunque tampoco debemos descartarlos, especialmente tomando en cuenta su historial de logros lentos pero seguros.

¿Llegará a sustituir la computación tradicional?

La respuesta breve es “no realmente”, al menos para el futuro cercano. Las computadoras cuánticas necesitan un volumen de equipo inmenso y ambientes precisos para operar. La arquitectura principal requiere de enfriamiento con temperaturas cercanas al cero absoluto, lo que significa que no son nada prácticas para el consumidor común.

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No obstante, como lo ha demostrado el auge de la computación en la nube, no es necesario tener un equipo especializado para poder aprovechar sus capacidades. Como lo mencionamos, IBM ya ofrece a los tecnófilos osados la oportunidad de usar programas en una pequeña fracción de los cúbits de su Q System One. Con el tiempo, es probable que IBM y sus competidores vendan tiempo de uso de computadoras cuánticas más potentes para quienes estén interesados en trabajar en problemas que de otro modo serían inescrutables.

Pero si no te dedicas a investigar el tipo de problemas excepcionalmente complicados que las computadoras cuánticas buscan resolver, probablemente no interactuarás mucho con ellas. De hecho, en algunos casos las computadoras cuánticas son peores para las tareas para las que usamos los equipos todos los días, simplemente por lo hiperespecializadas que son. A menos que seas un académico que trabaja en el tipo de modelos en los que la computación cuántica se especializa, es probable que tú nunca tengas una en tus manos y que nunca lo necesites.

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