Informática cuántica para curiosos de los qubits

¿Qué es la informática cuántica? Los ordenadores normales funcionan según estrictas reglas lógicas. Pero los diminutos objetos cuánticos -como los electrones o los fotones de luz- pueden romper esas reglas

La computación cuántica es la idea de que podemos utilizar esta ruptura de las reglas cuánticas para procesar la información de una forma nueva, totalmente diferente a la de los ordenadores normales. Esto los hace, en algunos casos, exponencialmente más rápidos que cualquier ordenador normal.

Por ejemplo, un ordenador cuántico podría descifrar fácilmente los códigos que mantienen segura la banca por Internet.

¿Así que es como un superordenador?

No exactamente. Un ordenador cuántico no es sólo un ordenador «más rápido». Hay algunas tareas específicas -como la factorización de números muy grandes- en las que un ordenador cuántico sería increíble. (Pero para la mayoría de las tareas, un ordenador cuántico sería poco mejor que un ordenador normal.

Entonces, ¿para qué podría utilizarse un ordenador cuántico?

Probablemente serán más útiles para las agencias gubernamentales, las empresas de investigación y desarrollo y las universidades para resolver problemas con los que los ordenadores actuales tienen dificultades.

La primera idea práctica, propuesta por el físico Richard Feynman en 1981, fue utilizar un ordenador cuántico para simular la mecánica cuántica. Esto tendría un impacto en la química y la biología. Los químicos, por ejemplo, podrían modelar con precisión las interacciones de los fármacos y los biólogos podrían estudiar todas las formas posibles en que las proteínas pueden plegarse e interactuar entre sí.

Aunque los ordenadores cuánticos fueron en su día una curiosidad académica, el interés se disparó en 1994 cuando el matemático estadounidense Peter Shor descubrió una forma de utilizar los ordenadores cuánticos para descifrar códigos.

Actualmente, muchos sistemas de seguridad en línea se basan en el principio de que es prácticamente imposible tomar un número muy grande y averiguar cuáles son sus factores primos. Lo único que puede hacer un ordenador normal es probar todas las posibilidades una tras otra, una tarea que podría llevar miles de millones de años. Utilizando el algoritmo de Shor, un ordenador cuántico podría realizar la tarea en unas pocas horas.

Los ordenadores cuánticos también podrían ser fantásticos a la hora de reconocer patrones en los datos, algo muy útil para los problemas de aprendizaje automático, como ser capaces de identificar diferentes objetos en una imagen. Podrían ser excelentes en la construcción de modelos para predecir el futuro, como en la previsión meteorológica a largo plazo.

Pero en última instancia, los usos de la computación cuántica son impredecibles. Considere que en 1943, Thomas Watson, el presidente de IBM, dijo: «Creo que hay un mercado mundial para quizás cinco ordenadores». Ahora hay cinco en cada hogar.

Si los precedentes sirven de guía, aún tenemos que imaginar cuáles serán los usos de los ordenadores cuánticos.

¿Cómo funciona la computación cuántica?

Los ordenadores convencionales se basan en «bits»: imagínelos como pequeños interruptores que apuntan a un 1 o a un 0.

La computación cuántica se basa en los bits cuánticos, o «qubits», que también pueden representar un 0 o un 1. Lo curioso es que los qubits también pueden alcanzar un estado mixto, llamado «superposición», en el que son 1 y 0 al mismo tiempo. Esta ambigüedad -la capacidad de «ser» y «no ser»- es la clave del poder de la computación cuántica.

¿Cómo ayuda la superposición?

La diferencia entre los ordenadores normales y los ordenadores cuánticos se reduce a la forma en que abordan un problema.

Un ordenador normal trata de resolver un problema de la misma forma en que se intenta escapar de un laberinto: probando todos los pasillos posibles, volviendo a los callejones sin salida, hasta que finalmente se encuentra la salida. Pero la superposición permite al ordenador cuántico probar todos los caminos a la vez, es decir, encontrar el atajo.

Dos bits de su ordenador pueden estar en cuatro estados posibles (00, 01, 10 u 11), pero sólo uno de ellos en cualquier momento. Esto limita al ordenador a procesar una entrada a la vez (como intentar un pasillo en el laberinto).

En un ordenador cuántico, dos qubits también pueden representar exactamente los mismos cuatro estados (00, 01, 10 u 11). La diferencia es que, debido a la superposición, los qubits pueden representar los cuatro al mismo tiempo. Es un poco como tener cuatro ordenadores normales funcionando uno al lado del otro.

Si se añaden más bits a un ordenador normal, éste sólo puede ocuparse de un estado a la vez. Pero a medida que se añaden qubits, la potencia del ordenador cuántico crece exponencialmente. Para los matemáticos, podemos decir que si tienes «n» qubits, puedes representar simultáneamente 2n estados.)

Es como esa vieja fábula sobre un antiguo indio, llamado Sessa, que inventó el juego del ajedrez. El rey estaba encantado con el juego y le pidió a Sessa que nombrara su recompensa. Sessa pidió humildemente un único tablero de ajedrez con un grano de trigo en la primera casilla, dos en la segunda, cuatro en la tercera y así sucesivamente. El rey aceptó de inmediato, sin darse cuenta de que había prometido más trigo del que existía en la Tierra. Ese es el poder del crecimiento exponencial.

Al igual que cada cuadrado duplicaba el trigo de Sessa, cada qubit adicional duplica la potencia de procesamiento. Tres qubits te dan 23, que son ocho estados al mismo tiempo; cuatro qubits te dan 24, que son 16. ¿Y 64 qubits? Te dan 264, es decir, ¡18.446.744.073.709.600.000 posibilidades! Eso es alrededor de un millón de terabytes.

Aunque 64 bits regulares también pueden representar este enorme número (264) de estados, sólo pueden representar uno a la vez. Recorrer todas estas combinaciones, a dos mil millones por segundo (que es la velocidad típica de un PC moderno), llevaría unos 400 años.

Todo esto significa que los ordenadores cuánticos podrían abordar problemas que son «prácticamente imposibles» para los ordenadores clásicos.

Pero para conseguir esa velocidad exponencial, el destino de todos los qubits tiene que estar unido en un proceso llamado entrelazamiento cuántico. Este extraño fenómeno, que Einstein denominó «acción espeluznante a distancia», puede conectar partículas cuánticas aunque estén en extremos opuestos del universo.

¿Qué hace un qubit?

Para hacer un qubit, se necesita un objeto que pueda alcanzar un estado de superposición cuántica entre dos estados.

Un núcleo atómico es un tipo de qubit. La dirección de su momento magnético (su «espín») puede apuntar en diferentes direcciones, por ejemplo, hacia arriba o hacia abajo con respecto a un campo magnético.

El reto consiste en colocar y luego dirigir ese único átomo.

Un equipo australiano dirigido por Michelle Simmons en la Universidad de Nueva Gales del Sur, ha fabricado qubits atómicos colocando un único átomo de fósforo en una posición conocida dentro de un cristal de silicio.

Otra idea es despojar de un electrón al átomo y convertirlo en un ion. Entonces se pueden utilizar campos electromagnéticos para suspender el ion en el espacio libre, disparando láseres hacia él para cambiar su estado. Así se consigue un ordenador cuántico de «iones atrapados».

Una corriente en un bucle de metal superconductor también puede estar en superposición (entre el sentido de las agujas del reloj y el contrario), un poco como una pequeña cinta de correr que va hacia delante y hacia atrás al mismo tiempo.

Un fotón de luz puede estar en superposición en la dirección en la que ondea. Algunos grupos han estado ensamblando circuitos cuánticos enviando fotones alrededor de un laberinto de fibras ópticas y espejos.

¿Cómo se crea la superposición?

¿Alguna vez ha intentado equilibrar una moneda exactamente sobre su borde? Así es la programación de un qubit. Se trata de hacer algo a un qubit para que, en cierto sentido, acabe «equilibrado» entre estados.

En el caso del núcleo atómico, esto podría ser a través de un zapping con un campo eléctrico o magnético, dejándolo con la misma probabilidad de girar hacia un lado u otro.

Entonces, ¿cómo se lee la información de los qubits?

Hay un aura de lo místico sobre lo que sucede durante un cálculo cuántico. Los físicos más extravagantes describen los qubits como una especie de sesión de espiritismo cuántico con mundos paralelos para adivinar la respuesta.

Pero no es magia, es sólo mecánica cuántica.

Supongamos que tiene su nuevo ordenador cuántico de 64 qubits en funcionamiento para su primer cálculo. Colocas los 64 qubits en superposición, como si fueran 64 monedas equilibradas de canto. Juntos, mantienen 264 estados posibles en el limbo. Sabes que uno de estos estados representa la respuesta correcta. Pero, ¿cuál?

El problema es que la lectura de los qubits hace que la superposición se colapse, como golpear el puño en la mesa con todas esas monedas equilibradas.

Aquí es donde un algoritmo cuántico como el de Shor resulta útil. Carga los qubits para que sea más probable que caigan en el lado correcto y nos den la respuesta correcta.

¿Se han construido ya ordenadores cuánticos?

Aparentemente sí, aunque ninguno de ellos puede hacer nada que supere a los ordenadores convencionales todavía.

En los últimos tres años se han producido avances espectaculares en la computación cuántica. Mientras que en 2016 la revista Nature celebraba un ordenador de nueve qubits desarrollado por investigadores de Google. Dieciocho meses después, en diciembre de 2017, IBM informaba de su ordenador cuántico de 50 qubits. En cuatro meses, Google volvió a adelantarse con su ordenador cuántico «Bristlecone» de 72 qubits. Mientras tanto, IBM ha producido el primer ordenador cuántico disponible comercialmente, proporcionando acceso a la nube a su máquina Q System One de 20 qubits, por un precio.

D-Wave sigue a la cabeza con su creación de 2.000 bucles superconductores como qubits, aunque algunos físicos se muestran escépticos de que D-Wave haya construido un verdadero ordenador cuántico.

Todos los grandes actores tienen en su punto de mira el siguiente gran hito: La «supremacía cuántica». Esto significa que un ordenador cuántico resuelve un problema más allá de las capacidades de las máquinas clásicas. En teoría, esto debería ser posible con una máquina de 50 qubits, pero sólo si las tasas de error son lo suficientemente bajas.

¿Por qué es tan difícil construir un ordenador cuántico?

Hay desafíos en todos los niveles, desde el ensamblaje de los qubits, hasta la lectura y escritura de información en ellos, pasando por el transporte de información de un lado a otro sin que desaparezca en un soplo de incertidumbre.

Un qubit es la diva definitiva. Mientras que una estrella de Hollywood podría exigir un camerino gigantesco y un baño lleno de pétalos de rosa, un qubit exige un aislamiento perfecto y un termostato ajustado a una centésima de grado por encima del cero absoluto. La más mínima vibración de un átomo cercano puede hacer que un qubit tenga una rabieta cuántica y pierda su superposición.

La dificultad primordial es cómo mantener los delicados estados de superposición y entrelazamiento el tiempo suficiente para realizar un cálculo, el llamado tiempo de coherencia.

A pesar de este desalentador reto, la carrera por construir el primer ordenador cuántico práctico se ha convertido en uno de los grandes desafíos científicos de nuestro tiempo, en el que participan miles de físicos e ingenieros de docenas de institutos de investigación repartidos por todo el mundo.