Me desayuno hoy con la noticia de que IBM va a instalar su último modelo de ordenador (computador) cuántico en San Sebastián, y que sería el único en Europa:
Hace ya unos meses, ante el ingente goteo de noticias sobre avances rompedores en Computación Cuántica, QC por sus siglas en inglés ( Quantum Computing), me había interesado por el tema, pues es una de las tecnologías emergentes más difícil de entender (a física cuántica es difícil). Os cuento algo de lo que he leído.
Hoy día no podemos imaginar la vida sin la ayuda de un ordenador o computador, sea en el trabajo, en casa o en cualquier situación. Nuestro teléfono móvil es un computador de potencia inimaginable para cualquier persona (incluidos científicos punteros) hace 50 años. Podemos imaginar la vida sin gasolina (todo o casi todo eléctrico), sin aviones y hasta sin Amazon, pero no sin teléfono móvil o sin ordenador. Sin embargo, la capacidad de los ordenadores se acerca a un límite que no vamos a poder superar si continuamos utilizando la misma tecnología y los mismos fundamentos que rigen para los computadores actuales, basados en la física clásica o “macroscópica”. La Física Cuántica, que comenzó ya hace más de 100 años, puede ser una alternativa para superar las actuales barreras de cálculo, con lo que sería la Computación Cuántica.
En principio un ordenador puede contener muchos más valores y símbolos que el 0 y el 1, pero todos ellos se podrían codificar en sistema binario, por lo que lo más simple es usar solamente esos dos para todas sus operaciones, memoria, e incluso para los programas que lo hacen funcionar. Esta unidad de cálculo o almacenamiento es lo que llamamos un “bit”. Un sistema sencillo de bit es un interruptor eléctrico que puede estar abierto, y no deja pasar la corriente (0) o cerrado y deja pasar la corriente (1). Los modernos ordenadores tienen miles de millones de bits de capacidad de cálculo y billones de bits de espacio de almacenamiento. Y sigue creciendo a un ritmo de duplicación cada dos años aproximadamente (Ley de Moore) a base de reducir el tamaño de los componentes electrónicos. Este ritmo no se puede mantener por mucho tiempo, pues las dimensiones de los interruptores electrónicos (la “puerta” de un transistor) está llegando al límite de las dimensiones atómicas. Así, los problemas realmente difíciles no se pueden resolver con las computadoras clásicas, por más que avancemos en miniaturización.
El problema del viajante es un problema muy importante en ciencias de la computación:
Dada una lista de ciudades y las distancias entre cada par de ellas, ¿cuál es la ruta más corta posible que visita únicamente una vez cada ciudad y regresa al final a la ciudad de partida?
Si hay N ciudades, habrá Nfactorial (= N x (N-1) x (N-2)… x 2 x 1) rutas posibles entre ellas. Con unas pocas ciudades el problema es sencillo. Con 5 ciudades habría 12 rutas diferentes, pero el asunto se complica enseguida. Con 10 ciudades hay ya 181.440 rutas y para 30 ciudades hay más de 4·1030 rutas. Un ordenador actual tardaría unas mil veces más que la edad del universo en encontrar la ruta más corta posible entre 30 ciudades Este es un ejemplo (sencillo) de problemas “intratables” por las computadoras clásicas.
En los sistemas cuánticos (atómicos y sub-atómicos), la cosa es más compleja que en los ordenadores actuales y los ordenadores cuánticos podrían ser capaces de resolver estos problemas intratables. Un bit cuántico, o “qubit”, difiere en aspectos muy importantes de un bit clásico. Un qubit puede tomar dos valores posibles, o “estados puros”: |0⟩, |1⟩, en la notación cuántica.
Posibles estados cuánticos que pueden representar los valores de los “qubits” serían los estados de un electrón (e–) en un átomo o ión; la polarización de un fotón, a izquierdas o derechas respecto a la dirección en que se propaga o la dirección del espín de un electrón respecto a un eje determinado por el campo magnético. Pero en física cuántica también son posibles estados “mezcla” o superposición, es decir cualquier combinación de los anteriores, de la forma
a|0⟩ + b|1⟩,
donde a y b son números complejos, llamados amplitudes de probabilidad
Esto es imposible a niveles macroscópicos y por eso resulta anti-intuitivo y paradójico para todos. La figura ilustra una paradoja cuántica llevada al mundo clásico.
Paradoja cuántica: Un “esquiador cuántico” (un electrón, por ejemplo) podría pasar por ambos lados del obstáculo microscópico, pero esto es imposible para un esquiador real, macroscópico.
Cuando se combinan varios qubits, su capacidad de almacenar información aumenta exponencialmente, porque los qubits se combinan como partículas cuánticas, no como objetos clásicos y el espacio de estados cuánticos de N partículas es 2N, en lugar de N2. No hay análogo clásico de este hecho que ilustra la potencia de una computadora cuántica.
Tabla1: Capacidad de almacenamiento y procesamiento de información de N bits y qubits
| N | Bits (N2) | Qubits (2N) |
| 1 | 2 | 2 |
| 5 | 25 | 32 |
| 10 | 100 | 1.024 |
| 15 | 225 | 32.768 |
| 20 | 400 | 1.048.576 |
| 25 | 625 | 33.554.432 |
| 30 | 900 | 1.073.741.824 |
Sin embargo, los qbits sufren también efectos que limitan su aplicación, como la Decoherencia: por el que los sistemas mezclados o superpuestos, decaen y se convierten en estados puros |0⟩, |1⟩. Si esto ocurre antes de finalizar el cálculo que involucra un qubit, la información se pierde y el cálculo no puede terminarse correctamente.
Aunque estamos lejos de poder superar todos los problemas de ruido y errores de las computadoras cuánticas, los logros se suceden rápidamente (ver la tabla 2) y se vislumbran ya sus aplicaciones. Entre ellas están:
– Simulaciones cuánticas avanzadas que permitirían modelar cuestiones físicas, químicas y biológicas, ahora inabordables.
– Recocido cuántico, un paradigma de Computación Cuántica para problemas de optimización de muchos tipos
– Medicina, desarrollo de nuevos fármacos y tratamientos médicos, lo que permite avanzar en la medicina personalizada.
– y más: Big Data, Aprendizaje automático, IA, Criptografía y criptomonedas, etc.
Tabla2: Resumen de logros de computación cuántica
| Año | Nº qubits | Laboratorio |
| 1998 | 1 | Los Alamos |
| 1998 | 2 | U Berkeley |
| 1999 | 3 | IBM |
| 2000 | 5 | IBM |
| 2000 | 7 | Los Alamos |
| 2006 | 12 | Waterloo, MIT |
| 2019 | 20 | IBM |
| 2019 | 53*) | |
| 2022 | 433 | IBM |
| 2024 | 105**) | Google (Willow) |
| 2025 | 8**) | Microsoft (Majorana 1) |
| *) supremacía cuántica **) con corrección de errores incorporada | ||
El chip cuántico “Willow”, presentado por Google el 9 de diciembre de 2024. Este procesador ha hecho, en menos de cinco minutos, un cálculo de referencia estándar, que llevaría entre 10 y 25 años a una supercomputadora convencional.
No me alargo más, pero si queréis algo más extenso y elaborado tenéis un estudio sobre la QC en este “Manuescrito” que os podéis descargar en PDF
Manuntroppo 