En el post anterior vimos ¿Cómo funciona un computador?. Ahora revisaremos cómo opera un computador cuántico, que debemos esperar de esta tecnología.
Los computadores cuánticos están en el corazón de la próxima gran revolución tecnológica. Entender cómo funcionan estos dispositivos nos permitirá no solo comprender sus capacidades, sino también anticipar los cambios que traerán a diversas industrias.
En este artículo, exploraremos en profundidad cómo operan realmente los computadores cuánticos, desde los principios fundamentales de la mecánica cuántica hasta las aplicaciones prácticas que podrían transformar el mundo.
Tabla de Contenido
Fundamentos de la Mecánica Cuántica
Para entender cómo funciona un computador cuántico, es esencial tener una comprensión básica de la mecánica cuántica (rama fundamental de la física). A diferencia de la física clásica, que describe el comportamiento de objetos a escalas grandes (macroscópicas), la mecánica cuántica describe el comportamiento de partículas subatómicas como electrones y fotones. En este nivel, las partículas no siguen las leyes de la física tradicional.
Revisemos algunos conceptos claves de la mecánica cuántica:
- Superposición: Las partículas pueden existir en múltiples estados simultáneamente. Por ejemplo, un electrón puede estar en dos lugares a la vez hasta que se mida su posición, momento en que "colapsa" a un solo estado.
- Entrelazamiento cuántico: Dos partículas pueden estar correlacionadas de tal manera que el estado de una depende instantáneamente del estado de la otra, sin importar la distancia que las separe. Este fenómeno es conocido como "acción a distancia" y fue descrito por Einstein como "espeluznante". En el año 2022, el Premio Nobel de Física fue otorgado a Alain Aspect, John F. Clauser y Anton Zeilinger debido a sus trabajos destacados por los "estados cuánticos entrelazados" siendo pioneros en la ciencia de la información cuántica.
- Principio de incertidumbre de Heisenberg: Establece que es imposible conocer con precisión simultáneamente ciertos pares de propiedades de una partícula, como su posición y su momento. Cuanto más precisamente se conoce una propiedad, menos se sabe sobre la otra.
- Dualidad onda-partícula: Las partículas subatómicas tienen propiedades tanto de partículas como de ondas. Por ejemplo, la luz puede comportarse como una onda en algunos experimentos y como una partícula (fotón) en otros.
Qubits: El Corazón del Computador Cuántico
En un computador clásico, la unidad básica de información es el bit, que puede ser 0 o 1 (como lo mencionamos en el artículo de referencia al inicio de este post). En un computador cuántico, la unidad básica de información es el qubit. A diferencia de un bit clásico, un qubit puede estar en un estado de 0, 1, o en una superposición de ambos estados al mismo tiempo.
Esta capacidad de los qubits de existir en múltiples estados simultáneamente permite a los computadores cuánticos procesar una gran cantidad de información en paralelo, lo que potencialmente les da una ventaja exponencial sobre los computadores clásicos en ciertas tareas.
A finales del 2022, IBM consiguió tener un procesador con 433 bits cuánticos, y se ha propuesto la meta de crear un computador con 100.000 cubits para finales del 2032. Es claro, que el desarrollo de está tecnología va a pasos agigantados; ya existen muchas empresas que están apoyando con financiamiento a las universidades para la investigación.
Entrelazamiento Cuántico y Superposición
Para entender el entrelazamiento cuántico consideremos que cuando dos qubits se "entrelazan", el estado de uno depende instantáneamente del estado del otro, sin importar la distancia entre ellos. Esta propiedad es crucial para ciertas operaciones cuánticas que permiten una comunicación más rápida y eficiente entre qubits.
La superposición y el entrelazamiento juntos permiten a los computadores cuánticos realizar cálculos complejos de manera mucho más eficiente que los computadores clásicos. Por ejemplo, pueden explorar múltiples soluciones posibles simultáneamente, lo que es ideal para resolver problemas de optimización y búsqueda.
Puertas Cuánticas y Operaciones
Las puertas cuánticas son los bloques de construcción básicos de los circuitos cuánticos, similares a las puertas lógicas en un computador clásico. Estas puertas manipulan los qubits, permitiendo realizar operaciones cuánticas específicas.
Entre las puertas cuánticas más comunes se encuentran la puerta Hadamard (que coloca un qubit en superposición), la puerta CNOT (que entrelaza qubits), y la puerta de desplazamiento de fase. Estas operaciones, cuando se combinan en secuencias, permiten a un computador cuántico realizar cálculos complejos.
Para familiarizarnos con la matemática cuántica y la nomenclatura de los qubits se recomienda ver el siguiente video:
Algoritmos Cuánticos
Los algoritmos cuánticos son procedimientos específicos diseñados para ejecutarse en un computador cuántico. Uno de los más famosos es el Algoritmo de Shor, que puede factorizar grandes números enteros de manera exponencialmente más rápida que el mejor algoritmo clásico conocido. Otro es el Algoritmo de Grover, que permite buscar en una base de datos no estructurada en cuadrado de tiempo menos comparado con los mejores algoritmos clásicos.
Estos algoritmos demuestran el poder potencial de la computación cuántica para resolver problemas que serían prácticamente imposibles de abordar con computadoras tradicionales.
Aplicaciones Potenciales de los Computadores Cuánticos
Los computadores cuánticos tienen el potencial de revolucionar diversas industrias. Algunas aplicaciones incluyen:
- Criptografía: Con los computadores cuánticos, se pueden desarrollar nuevos métodos de encriptación más seguros, así como romper ciertos sistemas de encriptación actuales.
- Simulación de Materiales: Los computadores cuánticos pueden simular moléculas y reacciones químicas de manera más precisa, acelerando el descubrimiento de nuevos materiales y medicamentos.
- Optimización: Resolver problemas complejos de optimización, como la planificación de rutas y la gestión de la cadena de suministro, de manera más eficiente.
- Inteligencia Artificial: Mejorar los algoritmos de aprendizaje automático y procesamiento de grandes volúmenes de datos.
- Muchas más aplicaciones: Ayudaría al descubrimiento de nuevos fármacos, la producción de fertilizantes, el rendimiento de las baterías, etc.
Desafíos y Limitaciones Actuales
A pesar de su gran potencial, los computadores cuánticos aún enfrentan varios desafíos antes de que puedan ser ampliamente adoptados:
- Decoherencia Cuántica: Los qubits son extremadamente sensibles al entorno, lo que puede llevar a la pérdida de información cuántica, un fenómeno conocido como decoherencia.
- Escalabilidad: Actualmente, es difícil construir computadores cuánticos con un gran número de qubits interconectados, lo cual es necesario para resolver problemas complejos.
- Corrección de Errores: La computación cuántica requiere avanzados métodos de corrección de errores para ser práctica, ya que los qubits son susceptibles a interferencias externas(que los físicos denominan "ruido"); a pesar de que hay propuestas de corrección a través de software.
- Consumo de energía: Se necesitan 65 vatios para cada uno de los qubits superconductores de acuerdo con el artículo citado anteriormente, se estima que para tener 100.000 qubits debería sea alimentado por una central nuclear.
Conclusión
En resumen, los computadores cuánticos representan una nueva frontera en la tecnología informática. Aunque todavía se encuentran en las primeras etapas de desarrollo, su capacidad para realizar cálculos complejos a una velocidad sin precedentes promete cambiar la manera en que abordamos problemas en diversas industrias. Desde la criptografía hasta la simulación de materiales y la inteligencia artificial, el potencial de los computadores cuánticos es vasto. Sin embargo, también enfrentan desafíos significativos que deben superarse antes de que puedan realizar su promesa de manera generalizada. A medida que los investigadores y las empresas continúan desarrollando esta tecnología, el futuro de la computación cuántica parece extremadamente prometedor.
