Computación Cuántica

 

¿Qué es la computación cuántica?

Antes de definir la computación cuántica, un apunte sobre su fundamento: la mecánica cuántica. Esta área de la física se encarga de estudiar el comportamiento de las partículas a niveles subatómicos y en un ámbito microscópico. Y de los descubrimientos sobre esos comportamientos se aprovechan precisamente los ordenadores cuánticos, que son mucho más rápidos en los cálculos que los sistemas clásicos de procesamiento. Esto es así porque la computación cuántica permite realizar multitud de operaciones simultáneamente. Un ordenador cuántico es como tener trabajando en paralelo muchos ordenadores normales. 

Cúbit, el bit cuántico

La gran diferencia de partida entre la computación cuántica y la tradicional está en la unidad básica de información. El cúbit (también denominado qubit) reemplaza aquí al bit binario convencional. Y su gran particularidad es que admite la superposición de ceros y unos. Es decir, puede ser cero y uno a la vez, y además en distinta proporción. Mientras que el bit de toda la vida solo puede adoptar uno de estos valores al mismo tiempo. 

Esto multiplica las posibilidades de un ordenador cuántico, donde la progresión no es lineal, sino exponencial. “Un ordenador cuántico de 273 cúbits tiene más memoria que átomos el universo observable”, asegura Alberto Casas, investigador del CSIC y autor del libro La revolución cuántica . Y ya hay ordenadores con 433 cúbits, como el anunciado por IBM a finales de 2022. 

¿Cómo funciona un ordenador cuántico?

El ordenador cuántico no tiene nada que ver, en funcionamiento y en aspecto, con los ordenadores tradicionales gobernados por chips y transistores, y con muchas placas y circuitos en su interior. El ordenador cuántico es un dispositivo informático que utiliza cúbits en lugar de bits, y que aplica principios de mecánica cuántica para realizar sus cálculos. En un ordenador cuántico, que tiene la forma de una aparatosa lámpara de techo, y que está compuesto por cientos de cables y conductos, solo hay un procesador al que se le hacen llegar señales de microondas.

Además, un ordenador cuántico necesita unas condiciones físicas especiales para funcionar con garantías. Y por eso solo es viable el desarrollo de computadores cuánticos en entornos de laboratorio muy controlados. Hablamos de que necesitan una presión atmosférica casi inexistente, un frío extremo (próximo al cero absoluto o -273 ºC, pues un mínimo de calor hace que los cúbits sean propensos al error) y un aislamiento del campo magnético terrestre para evitar que los átomos se muevan y colisionen. Por otra parte, estos sistemas no funcionan ininterrumpidamente, como los ordenadores clásicos, sino en cortos intervalos de tiempo.También es complejo en ellos almacenar y recuperar la información.

Algoritmos cuánticos

Un algoritmo es una serie de instrucciones para resolver un problema específico. Los algoritmos sirven para ejecutar tareas cotidianas, pero pueden llegar a complicarse mucho. En informática, los hay de muchos tipos. Uno de los más famosos y comentados es el algoritmo de búsqueda de Google, que es el que resuelve una búsqueda de información y el despliegue de los resultados. Otros algoritmos sirven para recomendar contenidos en una red social o en una plataforma de streaming. 

La computación cuántica lleva, por su enorme capacidad de cálculo, a otro nivel a los algoritmos. De hecho, los algoritmos son la verdadera gasolina de los ordenadores cuánticos. La computación cuántica carece de código propio y lenguajes (como Java o Python) para programar, y solo recurre a algoritmos muy específicos. 

Los expertos ya prueban con algoritmos cuánticos capaces de vulnerar los sistemas de cifrado tradicionales, lo que pondría en entredicho muchas herramientas de ciberseguridad que hoy están vigentes. Los algoritmos cuánticos también se han mostrado especialmente efectivos a la hora de resolver problemas matemáticos que a los ordenadores clásicos se les hacían imposibles. Como el algoritmo de Shor, capaz de descomponer un gran número compuesto en sus factores primos. 

Diferencias vs. ordenador convencional

Los ordenadores cuánticos no son una herramienta de uso generalizado y cotidiano. Por sus exclusivas características físicas, solo los veremos en entornos de laboratorio o en centros de datos. Y no en cualquier mesa de trabajo, como un PC o un servidor tradicional. Al fin y al cabo, se trata de una tecnología de unas instalaciones muy caras. Porque, entre otras cosas, y como hemos dicho, los cúbits son muy sensibles a errores e interferencias. No obstante, cada vez será más habitual que personas ajenas a estos entornos se conecten vía internet con los ordenadores cuánticos y los aprovechen para acelerar sus cálculos. 

Aplicaciones 

La extraordinaria capacidad de computación que aportan los ordenadores cuánticos los hacen interesantes en campos donde se trabaja con cantidades masivas de datos:

• En las finanzas, por ejemplo, permitirán optimizar carteras de inversión, analizar riesgos y mejorar los sistemas de detección de fraude.
• En la medicina, ayudarán a desarrollar medicamentos y tratamientos personalizados, y en la investigación genética.
• En el mundo del transporte, la computación cuántica puede ayudar a optimizar rutas, identificando los mejores trayectos en cuanto a costes, tiempo o contaminación.
• En la industria aeroespacial, puede contribuir al desarrollo de nuevos materiales, y a optimizar vuelos o asignar los aviones en los aeropuertos.

Y son solo algunos ejemplos de las posibilidades de los ordenadores cuánticos.  

Computación cuántica y ciberseguridad

Una de las grandes aplicaciones de la computación cuántica está en el mundo de la ciberseguridad para empresas. Y es que permite la creación de algoritmos de cifrado mucho más avanzados que los existentes hoy en día. Sin embargo, esta ventaja se torna también una amenaza, pues, de la misma forma, este nuevo paradigma computacional es capaz de echar abajo los mecanismos de cifrado convencionales. Averiguar los modelos de contraseñas y certificados será una tarea muy sencilla para estas máquinas. Hoy por hoy, la computación cuántica no es una amenaza porque está acotada a unas pocas instalaciones en todo el mundo, pero su popularización en el futuro sí podría hacer que caiga en las manos equivocadas. Con el peligro que eso supondría.   

Computación cuántica y procesamiento de datos

En cuanto al procesamiento de datos, la computación cuántica tiene el potencial de acelerar tareas como la búsqueda en grandes bases de datos, la optimización de rutas logísticas y el business intelligence así como la simulación de sistemas físicos. Lo hemos visto en el apartado de aplicaciones de esta tecnología al mundo empresarial y al ámbito de la investigación. 

El futuro hacia la supremacía cuántica

A finales de 2022 se alcanzaron los 433 cúbits en procesadores cuánticos, como el Osprey de IBM. Sin embargo, se espera que en los próximos tres años se lleguen a superar los 4.000 cúbits. A más largo plazo, también hay planes ambiciosos. La misma IBM se ha marcado como objetivo construir una máquina de 100.000 cúbits en el plazo de 10 años. También está sobre la mesa el desarrollo de ordenadores cuánticos a gran escala. Google, por su parte, también sueña a lo grande y quiere llegar al millón de cúbits para finales de esta década. Y la californiana PsiQuantum también aspira al millón de cúbits en una sola máquina, aunque no ha dicho cuándo podría estar. Las grandes potencias consideran las tecnologías cuánticas estratégicas y están dedicando cuantiosos recursos para su desarrollo. China, por ejemplo, ha puesto en marcha un programa de cinco años que va a costarle miles de millones de dólares. Nadie quiere quedarse atrás. 

Bárbara González