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¿Por que el ordenador cuántico representa el futuro dentro de las computadoras?

Imagen de ordenador cuántico

Cuando nos hablan del futuro de la computación, nos imaginamos, por supuesto, ordenadores cada vez más potentes, más que todo a base de mayor velocidad de procesamiento, mayor capacidad de memoria y programas más sofisticados.

Y es aquí donde diversos campos de la ciencia aportan y hacen contribuciones que terminan aplicándose a la computación para permitir más avances. La física, por supuesto es una de las que hace las contribuciones más evidentes; y una de ellas, que ha estado llamando la atención, viene de la mecánica cuántica. Se trata, claro está, de la computación cuántica.

Computación cuántica

Una de las maneras en que tradicionalmente se ha hecho avanzar la tecnología de la computación es a través de la miniaturización. Esto es, circuitos cada vez más pequeños, integrados en los microprocesadores. En tanto más pequeños sean los circuitos, más cantidad de ellos cabe en un procesador. Además, en conjunto, será más rápido.

Pero la miniaturización, lamentablemente, tiene sus límites. Cuando los tamaños son demasiado pequeños, del orden del tamaño de los átomos, los electrones, que son los que al fin y al cabo forman las corrientes eléctricas, producen efectos que interfieren con el funcionamiento de los procesadores. Estos efectos ya habían sido predichos por científicos del siglo pasado, que sugirieron la idea de desarrollar computadores basados en la mecánica cuántica.

Entra en juego la mecánica cuántica

En la escuela se nos enseña la llamada mecánica clásica, que es la que estudia la física de los fenómenos que vemos todos los días. Sirve para el vuelo de los aviones, el movimiento de los automóviles y el funcionamiento de nuestros computadores.

Pero existen ramas de la física que la mayoría de nosotros no estudia; una de ellas es la Relatividad, que estudia fenómenos a velocidades muy altas, o cuando la gravedad es extremadamente fuerte. Y otra es la mecánica cuántica, que estudia lo que ocurre a tamaños muy reducidos, como los de átomos y electrones.

La computación cuántica es una manera de concebir los ordenadores, de manera de que funcionen a base de efectos cuánticos. Y así como en la computación clásica la unidad básica de información es el bit, en la computación cuántica se tiene una nueva unidad básica, llamada  cúbit (también llamada Qbit o Qubit, del inglés quantum bit).

Esa discrepancia entre la información que guardan los qubits y la que podemos leer nosotros llevaba a Benioff y a Feynman a demostrar que un ordenador clásico no sería capaz de simular un sistema cuántico sin una cantidad desproporcionada de recursos, y a proponer modelos para un ordenador cuántico que sí fuese capaz de hacer esa simulación.

cita sacada de xataka.com

¿Quien creó la computación cuántica?

El modelo computacional que se usa actualmente está basado en un concepto teórico llamado Máquina de Turing. Richard Feynman desarrolló en los años 1960 algunos conceptos teóricos sobre una probable Máquina de Turing cuántica.

Pero un modelo más sólido de este tipo de dispositivo fue concebido en la década de 1980 por el físico estadounidense Paul Benioff. El mismo Feynman concibió en 1982 un simulador cuántico universal, que servía de modelo para una Máquina de Turing cuántica. Posteriormente el físico británico David Deutsch concibió lo que se considera el primer modelo verdadero de una computadora cuántica.

En la década de 1990, el profesor de matemáticas Peter Shor creó un algoritmo práctico para demostrar la utilidad de la computación cuántica. Es de este modo que se puede decir que los creadores de la computación cuántica fueron Feynman, Benioff, Deutsch y Shor.

Ordenador cuántico

El computador clásico se basa en un modelo donde los bits son representado por circuitos electrónicos. Cada combinación de bits representa un único número que se usa para algo: un número en computación clásica puede ser el valor de una medida, el código para una letra o símbolo, el código para un color, o una ubicación en la memoria.

En computación clásica se enseña que un bit puede valer 0 (cero) o 1 (uno) de modo que con un solo bit se pueden representar solo esos dos números. Pero si se tienen 2 bits, se pueden combinar de cuatro maneras distintas para representar números desde el 0 al 3. Si se tienen 4 bits, se pueden representar 16 números (desde el 0 al 15).

En el ordenador cuántico, se usan fenómenos físicos de nivel cuántico (por ejemplo, oscilaciones de núcleos atómicos) para modelar el comportamiento de un cúbit. Un cúbit puede valer cero o uno, pero puede tener simultáneamente cualquier valor intermedio. Esto parece contradecir nuestro sentido común, pero en mecánica cuántica esto es lo usual. Y si un computador clásico de 4 bits, cada bit individual tiene que valer cero o uno, en un computador cuántico de 4 bits, cada cúbit puede tener los 16 valores obtenibles, cada uno con una cierta probabilidad.

Esto significa que un computador cuántico no da como resultado un número, sino una función matemática que indica la probabilidad de que un resultado sea correcto.

¿Qué puede hacer un computador cuántico?

Esto hace cuestionarse la utilidad del ordenador cuántico, porque la mayoría de nosotros querríamos resultados concretos, no probables. Y más aún tomando en cuenta que el ordenador cuántico puede hacer más o menos las mismas cosas que un ordenador convencional.

La cuestión radica en que hay problemas que para un ordenador clásico son demasiado exigentes. Un ejemplo clásico es el de hallar los divisores de un número cualquiera. Un ordenador clásico puede hacerlo, sin duda. Consideremos los divisores del número 15: con un PC cualquiera se encontrará sin dificultad que son 1, 3, 5 y 15. Pero si se intenta hacer lo mismo con un número muy grande, digamos, 2398389387281982, el procedimiento se alarga en el tiempo. Si el número es lo bastante grande, esto puede tomar miles de años.

Peter Shor fue el creador de un algoritmo que, implementado en un computador cuántico, reducía a minutos el tiempo para resolver esta clase de problemas. Esto significa que los computadores cuánticos son, de un modo nunca antes concebido, mucho más rápidos que los convencionales. Ahora bien, cuando un ordenador cuántico sea, en la práctica, mucho más rápido que uno convencional al resolver al mismo problema, se dice que se habrá alcanzado la supremacía cuántica.

Ordenador cuántico vs ordenador normal

Se puede pensar que esto significa que los ordenadores cuánticos van a desplazar a los convencionales. En el futuro cercano, esto no parece probable.

Los computadores cuánticos actuales son desarrollados por unas pocas empresas, y seguramente por algunas agencias gubernamentales. Requieren tecnología especial, y condiciones de funcionamiento aún más especiales (refrigeración cercana al cero absoluto, aislamiento electromagnético, entre otras). Esto los hace bastante caros para el usuario común.

Además, el resultado de los algoritmos cuánticos, al ser probabilístico, se usa como insumo para que un ordenador clásico haga la verificación. Lo más seguro es que los ordenadores cuánticos se sigan usando de dos modos: como parte de un sistema híbrido, donde resuelvan los problemas que requieren gran capacidad, y se completen con ordenadores clásicos; y como ordenadores centrales a los que se podrá acceder usando internet y un ordenador convencional.

Los procedimientos actuales de criptografía (codificación de información y contraseñas) utilizan algoritmos basados en la matemática de descomposición en factores. Si una computadora convencional intentase descifrar una clave que use esta tecnología, se tardaría demasiado. Pero el descifrado solo tomaría segundos para un ordenador cuántico; si bien esto puede poner en peligro la seguridad de los sistemas criptográficos actuales, también abre posibilidades para sistemas más seguros.

Primer ordenador cuántico para uso comercial

Los ordenadores cuánticos se tienen más de 20 años desarrollándose: de hecho, el algoritmo de Shor se probó en 2001, usando un ordenador de 7 cúbits. Pero oficialmente, el primer ordenador que se ha presentado para uso comercial es el IBM Q System One. Fue presentado en enero de 2019 por IBM, y procesa 20 cúbits. No es un aparato para comprar y llevar a casa: cuando se habla de “uso comercial” se hace referencia a que los interesados (o las empresas interesadas) pueden contactar con IBM para pagar por usarlo.

Esto se debe a que el el Q System One debe funcionar en un ambiente estrictamente controlado, que la mayoría de las empresas no pueden proporcionar.

Ordenador cuántico Google

En septiembre de 2019, ingenieros de Google afirmaron haber desarrollado un computador cuántico comercial, con el que habían alcanzado la supremacía cuántica. Publicaron sus resultados en la web de la NASA, pero al poco tiempo retiraron el artículo. Pero pocos días después la información fue confirmada en la revista Nature.

El computador de Google, de 53 cúbits, trabajó en un algoritmo para generar números aleatorios. Google asegura que su ordenador cuántico tardó 200 segundos (3 minutos, 20 segundos) en resolver el problema, en tanto que estimaron que uno de los más potentes superordenadores que existen tardaría un estimado de 10 mil años.

Algunas voces salieron al paso: Isis Agura Lovecruft, física estadounidense que también es experta en criptografía afirma que la supremacía cuántica requiere robustos algoritmos de corrección de errores con los que aún no se cuenta; por su parte, IBM, competidor directo de Google asegura que ellos cuentan con un supercomputador clásico capaz de resolver el mismo problema en dos días, y no diez mil años como afirma Google.

También se afirma que no todo es maravilloso: si un ordenador cuántico se hace demasiado complejo, las interferencias harán que tienda a comportarse como un ordenador clásico, esfumando cualquier ventaja.

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