¿Cómo funciona la computación cuántica?

En los próximos años pasaremos de la era digital a la era cuántica. En este artículo presentamos los elementos básicos de la computación cuántica, una de las tecnologías con más potencial disruptivo.

La transformación digital está generando cambios en el mundo más rápido que nunca. ¿Creerías que la era digital está por acabarse? Ya se ha señalado la alfabetización digital como un área donde el conocimiento abierto y las oportunidades accesibles para aprender sobre la tecnología son urgentes para abordar las brechas en el desarrollo social y económico. Aprender de los conceptos claves de la era digital se volverá aún más crítico ante la inminente llegada de otra nueva ola tecnológica capaz de transformar los modelos existentes con una velocidad y potencia asombrosa: las tecnologías cuánticas.

En este artículo, comparamos los conceptos básicos de la computación tradicional y la computación cuántica; y también comenzamos a explorar su aplicación en otras áreas relacionadas.

¿Qué son las tecnologías cuánticas?

A lo largo de la historia, el ser humano ha ido desarrollando tecnología a medida que ha ido entendiendo el funcionamiento de la naturaleza a través de la ciencia. Entre los años 1900 y 1930, el estudio de algunos fenómenos físicos que aún no estaban bien entendidos dio lugar a una nueva teoría física, la Mecánica Cuántica. Esta teoría describe y explica el funcionamiento del mundo microscópico, hábitat natural de moléculas, átomos o electrones. Gracias a ella no solo se ha conseguido explicar esos fenómenos, sino que ha sido posible entender que la realidad subatómica funciona de forma completamente contra intuitiva, casi mágica, y que en el mundo microscópico tienen lugar sucesos que no ocurren en el mundo macroscópico.

Entre estas propiedades cuánticas se incluyen la superposición cuántica, el entrelazamiento cuántico y el teletransporte cuántico.

• La superposición cuántica describe cómo una partícula puede estar en diferentes estados a la vez.
• El entrelazamiento cuántico describe cómo dos partículas tan separadas como se desee pueden estar correlacionadas de forma que, al interactuar con una, la otra se entera.
• El teletransporte cuántico utiliza el entrelazamiento cuántico para enviar información de un lugar a otro del espacio sin necesidad de viajar a través de él.

Las tecnologías cuánticas son basadas en estas propiedades cuánticas de la naturaleza subatómica.

En este caso, hoy en día el entendimiento del mundo microscópico a través de la Mecánica Cuántica nos permite inventar y diseñar tecnologías capaces de mejorar la vida de las personas. Hay muchas y muy diferentes tecnologías que utilizan fenómenos cuánticos y, algunas de ellas, como el láser o las imágenes por resonancia magnética (IRM), llevan ya entre nosotros más de medio siglo. Sin embargo, actualmente estamos presenciando una revolución tecnológica en áreas como la computación cuántica, la información cuántica, la simulación cuántica, la óptica cuántica, la metrología cuántica, los relojes cuánticos o los sensores cuánticos.

¿Qué es la computación cuántica? Primero, hay que entender la computación clásica

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.

La pregunta interesante es, ¿qué son físicamente estos 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.

De los bits a qubits

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.

Algoritmos cuánticos, computación exponencialmente más poderosa y eficiente

El propósito de los computadores cuánticos es aprovechar estas propiedades cuánticas de los qubits, como sistemas cuánticos que son, para poder correr algoritmos cuánticos que utilizan la superposición y el entrelazamiento para ofrecer una capacidad de procesamiento mucho mayor que los clásicos. Es importante indicar que el verdadero cambio de paradigma no consiste en hacer lo mismo que hacen las computadoras digitales o clásicas -las actuales-, pero más rápido, como de forma errónea se puede leer en muchos artículos, sino que los algoritmos cuánticos permiten realizar ciertas operaciones de una manera totalmente diferente que en muchos casos resulta ser más eficiente -es decir, en mucho menos tiempo o utilizando muchos menos recursos computacionales-.

Veamos un ejemplo concreto de lo que esto implica. Imaginemos que estamos en Bogotá y queremos saber cuál es la mejor ruta para llegar a Lima de entre un millón de opciones para llegar (N=1.000.000). De cara a poder utilizar computadoras para encontrar el camino óptimo necesitamos digitalizar 1.000.000 opciones, lo que implica traducirlas a lenguaje de bits para el computador clásico y a qubits para el computador cuántico. Mientras que una computadora clásica necesitaría ir uno por uno analizando todos los caminos hasta encontrar el deseado, una computadora cuántica se aprovecha del proceso conocido como paralelismo cuántico que le permite considerar todos los caminos a la vez. Esto implica que, si bien la computadora clásica necesita del orden de N/2 pasos o iteraciones, es decir, 500.000 intentos, la computadora cuántica encontrará la ruta óptima tras solo √N operaciones sobre el registro, es decir, 1.000 intentos.

En el caso anterior la ventaja es cuadrática, pero en otros casos es incluso exponencial, lo que significa que con n qubits podemos obtener una capacidad computacional equivalente a 2ⁿ bits. Para ejemplificar esto, es frecuente contar que con unos 270 qubits se podrían tener más estados base en un computador cuántico -más cadenas de caracteres diferentes y simultáneas- que el número de átomos en el universo, que se estima en torno a 2⁸⁰. Otro ejemplo, es que se estima que con un computador cuántico de entre 2000 y 2500 qubits se podría romper prácticamente toda la criptografía utilizada hoy en día (la conocida como criptografía de clave pública).

¿Por qué es importante saber sobre la tecnología cuántica?

Estamos en un momento de transformación digital en el que distintas tecnologías emergentes como blockchain, inteligencia artificial, drones, Internet de las cosas, realidad virtual, 5G, impresoras 3D, robots o vehículos autónomos tienen cada vez más presencia en múltiples ámbitos y sectores. Estas tecnologías, llamadas a mejorar la calidad de vida del ser humano acelerando el desarrollo y generando impacto social, avanzan hoy en día de manera paralela. Solo en contadas ocasiones vemos compañías desarrollando productos que exploten combinaciones de dos o más de estas tecnologías, como blockchain y IoT o drones e inteligencia artificial. Si bien están destinadas a converger generando así un impacto exponencialmente mayor, la etapa inicial de desarrollo en que se encuentran y la escasez de desarrolladores y personas con perfiles técnicos hacen que las convergencias sean aún una tarea pendiente.

De las tecnologías cuánticas, por su potencial disruptivo, se espera que no solo converjan con todas estas nuevas tecnologías, sino que tengan una influencia transversal en prácticamente la totalidad de ellas. La computación cuántica amenazará la autenticación, intercambio y almacenamiento seguro de datos, teniendo un impacto mayor en aquellas tecnologías en las que la criptografía tiene un rol más relevante, como ciberseguridad o blockchain, y un impacto negativo menor pero también a considerar en tecnologías como 5G, IoT o drones.

Próximamente en Abierto al Público destacaremos algunos ejemplos concretos de cómo la aplicación de las tecnologías cuánticas está siendo disruptiva en varios sectores y cómo el conocimiento abierto nos aporta en la preparación para estas disrupciones. Mientras tanto, les invitamos a aprender en profundidad sobre el tema a través de la publicación Tecnologías Cuánticas: Una oportunidad transversal e interdisciplinar para la transformación digital y el impacto social.