Para entender cómo funcionan los computadores cuánticos es conveniente explicar primero cómo funcionan los computadores que utilizamos a diario, a los que nos referiremos en este documento como computadores digitales o clásicos. Estos, al igual que el resto de los dispositivos electrónicos como tabletas o teléfonos móviles, utilizan bits como unidades fundamentales de memoria. Esto significa que los programas y aplicaciones están codificados en bits, es decir, en lenguaje binario de ceros y unos. Cada vez que interactuamos con cualquiera de estos dispositivos, por ejemplo pulsando una tecla del teclado, se crean, destruyen y/o modifican cadenas de ceros y unos dentro de la computadora.
Los estados cero y uno de los bits se corresponden con corriente eléctrica que circula, o no, a través de unas piezas microscópicas denominadas transistores, que actúan como interruptores. Cuando no circula corriente, el transistor está “apagado” y se corresponde con un bit 0, y cuando circula está “encendido” y se corresponde con un bit 1.
De forma más simplificada, es como si los bits 0 y 1 se correspondiesen con huecos, de manera que un hueco vacío es un bit 0 y un hueco ocupado por un electrón es un bit 1. Es por este motivo que estos dispositivos se llaman electrónicos. A modo de ejemplo, en la figura 1 se muestra la escritura en lenguaje binario de algunos caracteres. Ahora que tenemos una idea de cómo funcionan los computadores actuales, tratemos de entender cómo funcionan los cuánticos.
¿QUÉ ES UN QUBIT?
La informática cuántica utiliza como unidad básica de información el qubit en lugar del bit convencional. La principal característica de este sistema alternativo es que admite la superposición coherente de unos y ceros, los dígitos del sistema binario sobre los que gira toda la computación, a diferencia del bit, que solo puede adoptar un valor al mismo tiempo —uno o cero.
La unidad fundamental de información en computación cuántica es el quantum bit o qubit. Los qubits son, por definición, sistemas cuánticos de dos niveles -ahora veremos ejemplos- que al igual que los bits pueden estar en el nivel bajo, que se corresponde con un estado de baja excitación o energía definido como 0, o en el nivel alto, que se corresponde con un estado de mayor excitación o definido como 1. Sin embargo, y aquí radica la diferencia fundamental con la computación clásica, los qubits también pueden estar en cualquiera de los infinitos estados intermedios entre el 0 y el 1, como por ejemplo un estado que sea mitad 0 y mitad 1, o tres cuartos de 0 y un cuarto de 1. Este fenómeno se conoce como superposición cuántica y es natural en sistemas cuánticos.
Contenido
DIFERENCIAS ENTRE LA COMPUTACIÓN CUÁNTICA Y LA TRADICIONAL
La computación cuántica y la tradicional son dos mundos paralelos con algunas similitudes y numerosas diferencias entre sí, como el uso del qubit frente al bit. A continuación, repasamos tres de las más relevantes:
Lenguaje de programación
La computación cuántica carece de un código propio para programar y recurre al desarrollo e implementación de algoritmos muy específicos. Sin embargo, la informática tradicional cuenta con lenguajes estandarizados como Java, SQL o Python, entre muchos otros.
Funcionalidad
Un ordenador cuántico no es una herramienta para uso popular ni cotidiano, como un ordenador personal (PC). Estas supercomputadoras son tan complejas que solo tienen cabida en el ámbito corporativo, científico y tecnológico.
Arquitectura
La composición de un ordenador cuántico es más sencilla que la de uno convencional, y no tiene memoria ni procesador. Estos equipos se limitan a un conjunto de qubits que sirven de base para su funcionamiento.
PRINCIPALES APLICACIONES DE LA COMPUTACIÓN CUÁNTICA
La seguridad informática, la biomedicina, el desarrollo de nuevos materiales y la economía son algunos de los ámbitos que podrían vivir una gran revolución gracias a los avances en computación cuántica. Estos son algunos de sus beneficios más interesantes:
Finanzas
Las empresas optimizarían aún más sus carteras de inversión y mejorarían los sistemas para la detección del fraude y la simulación.
Salud
Este sector se beneficiaría en el desarrollo de nuevos medicamentos y tratamientos personalizados genéticamente, así como en la investigación del ADN.
Ciberseguridad
La programación cuántica conlleva riesgos, pero también avances para la encriptación de datos, como el nuevo sistema Quantum Key Distribution (QKD). Esta nueva técnica para el envío de información sensible utiliza señales luminosas para detectar cualquier intromisión en el sistema.
Movilidad y transporte
Compañías como Airbus utilizan la computación cuántica para diseñar aviones más eficientes. Además, los qubits permitirán avances notables en los sistemas de planificación del tráfico y la optimización de rutas.
Las barreras que todavía hay que vencer
Por desgracia, los algoritmos y códigos para ordenadores clásicos no se podrían usar en ordenadores cuánticos y obtener una mejora en velocidad mágicamente: es necesario desarrollar un algoritmo cuántico (cosa no trivial) e implementarlo para poder obtener esa mejora. Eso, de primeras, restringe mucho las aplicaciones de los ordenadores cuánticos y será un problema a sortear cuando esos sistemas estén más desarrollados.
Sin embargo, el principal problema al que se enfrenta la computación cuántica es construir los ordenadores. Comparado con un ordenador normal, un ordenador cuántico es una máquina extremadamente compleja: funcionan a una temperatura cercana al cero absoluto (-273 ºC), el soporte de qubits son superconductores y los componentes para poder leer y manipular los qubits no son sencillos tampoco.
Además, los qubits no suelen ser estables, en el sentido de que son muy sensibles a las perturbaciones y al ruido. Esto puede llevar a errores en los cálculos (por ejemplo, si el ordenador calcula 1 + 1 y un qubit cambia por ruido igual el resultado nos sale 3) pero también a que el ordenador no sea cuántico propiamente dicho.
Tal y como habíamos explicado antes, los dos conceptos relevantes de un ordenador cuántico son la superposición y el entrelazamiento, y sin ellos no pueden existir las mejoras de velocidad que prometen los algoritmos cuánticos. Si las perturbaciones del ordenador modifican qubits en superposición y los llevan a estados clásicos rápidamente, o si rompen el entrelazamiento entre varios qubits, lo que tenemos no es un ordenador cuántico sino sólo una computadora extremadamente cara que sólo sirve para ejecutar un puñado de algoritmos de manera equivalente a un ordenador normal (y probablemente dé resultados erróneos).
De las dos propiedades, el entrelazamiento es la más difícil de mantener y de probar que existe. Cuantos más qubits haya, más fácil es que uno de ellos se desentrelaze (lo que explica por qué aumentar el número de qubits no es una tarea trivial). Y no basta con construir el ordenador y ver que salen resultados correctos para decir que hay qubits entrelazados: buscar evidencias de entrelazamiento es toda una tarea en si misma .
