Los ordenadores cuánticos aparecen de vez en cuando como objetos de interés y preocupación – interés porque ofrecen aumentos masivos en la potencia de computación y preocupación porque podrían romper toda nuestra criptografía actual. Ya no se trata de «si», sino de «cuándo». El primer modelo de trabajo apareció en 1998 , pero en los últimos años se ha producido un aumento masivo del poder. Si lo desea, puede incluso acceder a una de las máquinas cuánticas de IBM a través de Internet ahora mismo.
¿La trampa? Los ordenadores cuánticos no son muy útiles todavía. En la actualidad, requieren algún equipo científico de alto nivel para funcionar, son caros de construir y mantener, y sólo son buenos en tareas específicas. La conclusión es que los ordenadores cuánticos están casi a punto de convertirse en máquinas científicas sorprendentes, pero es posible que nunca aceleren la entrega de imágenes de gatos desde los servidores de Internet a sus ojos.
«En la década de 1940, los investigadores estaban descubriendo cómo utilizar los tubos de vacío como simples interruptores. … Estos interruptores podrían entonces formar puertas lógicas, que podrían unirse para formar los primeros circuitos lógicos. Ahí es donde estamos ahora con los procesadores cuánticos. Hemos comprobado que todos los componentes funcionan. El siguiente paso es diseñar el circuito más pequeño e interesante posible». -Jungsang Kim, Universidad de Duke
Demasiado tiempo, no ha leído
Los ordenadores cuánticos son complicados, así que si lo que quieres es tener una idea sin entrar en detalles, esto es para ti.
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- Los procesadores convencionales funcionan teniendo muchas piezas pequeñas que pueden ser «volteadas» a una posición de 0 o 1.
- Superposición: un escenario del «gato de Schrodinger»: algo puede existir en múltiples estados hasta que se observa. Para los ordenadores cuánticos esto significa que puede almacenar 0 y 1 simultáneamente hasta que sea llamado a ser uno u otro.
- Enredo cuántico: una propiedad que permite que las partículas cuánticas se hablen entre sí – incluso a distancias de muchos kilómetros, cualquier cambio hecho a una partícula también afectará a la otra. Esto permite a los ordenadores cuánticos combinar chips «superpuestos» para aumentar exponencialmente la velocidad y el espacio de almacenamiento. Dos bytes pueden almacenar sólo uno de los siguientes: 0-0, 0-1, 1-0, o 1-1. Dos libras pueden almacenar todo eso.
- Qubits: Las computadoras convencionales usan bits y bytes; las computadoras cuánticas usan qubits. Estas son las cosas que existen en el avión entre 0 y 1, y son lo que todo el mundo está tratando de enredar y poner en las fichas.
- Los ordenadores cuánticos no son muy útiles para la informática del día a día, pero van a ser increíblemente buenos en algunas cosas muy complejas.
Procesadores convencionales
Los procesadores convencionales, como el chip Intel o AMD en su computadora, son esencialmente calculadoras que siguen caminos lógicos – obtienen algunos datos y un conjunto de instrucciones que les dicen qué hacer (matemáticas, como añadir/multiplicar; lógica, como AND/NOT). Realizan la operación y envían el resultado para que sea almacenado en otro lugar. Es así de simple, una entrada/número entra y una salida sale; si parece abstracta, imagínese una caja negra que toma instrucciones y materiales y escupe un producto. Si usted tiene un procesador de 2.4Ghz, su computadora está haciendo alrededor de 2.4 billones de estas operaciones por segundo. Cuantos más números pueda obtener de su procesador por segundo, más rápido se ejecutarán sus programas.
A nivel de hardware, los procesadores están compuestos por millones o incluso miles de millones de transistores, que son esencialmente pequeños interruptores que se cambian constantemente (no se mueven, sólo cambian sus estados de carga eléctrica) para representar uno de dos estados: 0 o 1. Éstas están dispuestas en puertas lógicas, cachés y otras cosas extravagantes en el chip, pero lo único que necesitamos saber es que los transistores sólo tienen dos estados posibles: siempre están ajustados a 0 o 1, lo que permite realizar un cálculo a la vez.
Para resumir: los procesadores convencionales hacen miles de millones de operaciones muy simples muy rápidamente usando millones/billones de transistores dispuestos en ciertos patrones y ajustados a 0 o 1, dependiendo de las instrucciones.
El gato de Schrodinger y la superposición
En lugar de meterse directamente en las tuercas y pernos, es mejor empezar con algo de física. (No te preocupes; no hay matemáticas.)
El gato de Schrodinger es uno de los ejemplos más famosos de la física cuántica, y trata de la idea de «superposición». Es bastante simple: un científico tiene una caja con un gato dentro. El gato tiene un 50% de probabilidades de morir. El científico no ha abierto la caja, así que no sabe si el gato está vivo o muerto.
Desde un punto de vista objetivo, el gato debe estar vivo o muerto, pero desde el punto de vista de la física cuántica, ambos son ciertos, al menos hasta que se abre la caja. Por qué? Porque (para nuestros propósitos, al menos; hay muchas maneras diferentes de enfocar esto) la unidad de procesamiento del científico (su cerebro) no sabe cuál es la respuesta, excepto que podría ser un gato vivo o muerto. En teoría, el científico se ha preparado para ambas posibilidades, así que cuando abre la caja, su cerebro recibe la entrada (¡el gato está vivo!) y produce la salida precalculada (alivio, presumiblemente).
«El Universo no sólo es más extraño de lo que pensamos, es más extraño de lo que podemos pensar.» – Werner Heisenberg
Esto es superposición : la idea de que algo existe en múltiples estados hasta que se observa, se mide o se actúa sobre él. ¿Cómo se aplica esto a los ordenadores cuánticos? Sólo hay que reemplazar el cerebro del científico con un procesador (metafóricamente): ya k
muestra las diferentes posibilidades (la instrucción puede ser para un 0 o un 1), y está almacenando todas las posibilidades al mismo tiempo. Sin embargo, cuando se trata de la salida, emite un 0 o un 1, igual que un procesador normal. Todas las posibilidades pueden existir simultáneamente, pero sólo puede surgir una salida. No es especialmente útil con sólo dos números, pero una vez que se escala hasta el punto en que los ordenadores cuánticos pueden calcular miles de millones de posibilidades a la vez, el potencial comienza a ser obvio.
Como una analogía, imagina lanzar una moneda al aire. Mientras vuela, está en constante rotación entre las cabezas y las colas, siendo en realidad las cabezas, las colas y tanto las cabezas como las colas. Eso es lo que hace el procesador de un ordenador cuántico, y es por eso que puede calcular casi todos los resultados posibles al instante.
Enredo cuántico
Las cosas empiezan a ponerse muy interesantes aquí. Resulta que las partículas cuánticas pueden existir en pares y que cada miembro del par es un espejo del otro. Esto es «entrelazamiento cuántico». Si algo le sucede a la Partícula 1, un cambio opuesto ocurrirá en la Partícula 2. Einstein lo llamó «spooky action at a distance » por lo extraña que es esta propiedad. Los investigadores militares incluso están experimentando con su uso para reemplazar el radar – sólo disparar la mitad de un par enredado hacia el cielo y ver lo que le sucede a su compañero aquí abajo para averiguar si golpeó un avión.
«Si la mecánica cuántica no te ha conmocionado profundamente, aún no lo has entendido.» – Niels Bohr
Esto es un poco alucinante, así que basta decir que los ordenadores cuánticos pueden usar el enredo para conectar múltiples «transistores cuánticos» o «qubits» para aumentar exponencialmente el nivel de complejidad. Una computadora puede mirar el estado de un qubit y luego averiguar lo que todos los demás están haciendo también porque están enredados.
Qubits
Aquí es donde entra en juego el hardware. Los cúbitos son, al igual que los bits y bytes de ordenador convencionales, la unidad más básica de almacenamiento de información cuántica. La gran diferencia es que cada qubit existe, en cierto sentido, como 0 y 1 simultáneamente , que pueden ser replicados en chips de ordenador de diferentes maneras, desde superconductores refrigerados hasta láseres. El objetivo final es el mismo, sin embargo: conseguir que algún tipo de partícula exista en ese extraño estado cuántico donde son dos cosas a la vez. Por ejemplo, una pequeña tira de metal superenfriado puede hacer rebotar electrones con muy poca resistencia, creando el potencial para cualquier estado en lugar de mantener el qubit en un estado.
Un buen paso siguiente es enredar los qubits, lo que esencialmente significa que necesitas sincronizarlos todos a la misma frecuencia para que puedan trabajar juntos. Esto hace que los ordenadores cuánticos sean mucho más potentes, ya que al enredar los qubits es lo que permite tener un chip entero de ellos trabajando juntos. Por sí solo un qubit es bastante impresionante, pero no hace nada demasiado excitante. Cuando se enreda con otro qubit, puede almacenar todos los valores posibles de ambos qubits combinados : 0-0, 0-1, 1-0, 1-0, 1-1, con 2^2 posibilidades. Si enredas tres qubits, ahora tienes 2^3 posibilidades (8). El chip récord mundial de junio de 2018 tiene 72 qubits que, en teoría, podrían realizar tantos cálculos en un segundo como un ordenador personal en más de una semana.
Para hacer esto un poco más simple: Si se comparan dos bits convencionales con dos bits, la diferencia más notable es que dos bits sólo pueden ser 0-0, 0-1, 1-0, o 1-1 – sólo una combinación de resultados binarios. Dos qubits, sin embargo, pueden almacenar los cuatro al mismo tiempo, y como crecen exponencialmente, unos cuantos qubits van mucho más lejos que unos pocos bits. 3 qubits enredados pueden ser 0-0-0-0, 0-0-1, 0-1-0, 0-1-1, 1-1-1, 1-1-0, 1-0-0-0, y 0-1-0, simultáneamente – sigue escalando una potencia a la vez, y terminarás con un ordenador que puede almacenar algunas posibilidades muy complejas.
Próximamente (para algunas cosas específicas)
Así que esta es una computadora cuántica: una máquina que conoce todas las respuestas pero sólo da la que coincide con la pregunta. Es una máquina alucinante, pero ha sido construida, y se está haciendo más grande y mejor tan rápido que es difícil mantener el ritmo. Usted se estará preguntando cuándo va a tener un pequeño congelador subártico lleno de ciencia espeluznante en su computadora, y la respuesta es, desafortunadamente, no pronto. Eso no quiere decir que nunca sucederá, pero ahora mismo sólo puede funcionar dentro de un laboratorio, y su computadora portátil de cinco años de edad probablemente pueda vencer a una computadora cuántica en la mayoría de las cosas. Los ordenadores cuánticos serán muy buenos en algunas cosas, sin embargo, como:
- Rompiendo la encriptación: No es necesario tener Bitcoin para preocuparse de que el cifrado se rompa. Es lo que impide que casi todo en Internet sea abiertamente legible para cualquiera que quiera entrar y echar un vistazo. ¿Tu Wi-Fi? Encriptado. ¿Tarjeta de crédito? Encriptado. Romper la encriptación RSA se considera imposible con computadoras normales, pero eso es sólo porque no pueden adivinar lo suficientemente rápido. Los ordenadores cuánticos son asombrosos a la hora de adivinar. Afortunadamente, el enredo cuántico parece que podría proporcionar una nueva forma de encriptar las cosas.
- : Las computadoras cuánticas pueden echar un vistazo a los datos, almacenar todas las respuestas y responder a su pregunta inmediatamente. Digamos que tienes una lista aleatoria de números, y sabes que el número 193,201 ocurre en algún lugar de ella. Una computadora convencional tiene que recorrer todos los números para encontrarla, pero una computadora cuántica sabía dónde estaba antes de que usted le preguntara.
- Modelado de escenarios extremadamente complejos Modelar escenarios extremadamente complejos Modelar escenarios extremadamente complejos Modelar escenarios extremadamente complejos Debido a que puede existir en tantos estados posibles a la vez, puede replicar la complejidad real del mundo natural lleno de variables (que en sí mismo está en un estado cuántico)
«En menos de diez años, los ordenadores cuánticos empezarán a tener un rendimiento superior al de los ordenadores de uso cotidiano, lo que dará lugar a grandes avances en la inteligencia artificial, el descubrimiento de nuevos productos farmacéuticos y mucho más. La potencia de computación muy rápida que ofrecen las computadoras cuánticas tiene el potencial de perturbar los negocios tradicionales y desafiar nuestra ciberseguridad. Las empresas necesitan estar preparadas para un futuro cuántico porque está por llegar». – Jeremy O$0027Brien, Universidad de Bristol
Los ordenadores cuánticos, tal y como existen en la actualidad, parecen ser en su mayoría máquinas para resolver problemas, optimizar las cadenas de suministro, potenciar la inteligencia artificial, predecir el tiempo, jugar en la bolsa de valores, etc. IBM, Intel, D-Wave, Google y otras compañías ya están produciendo versiones de estas máquinas e investigando formas de hacerlas más prácticas y utilizables.
Un obstáculo significativo, sin embargo, es que como los qubits se construyen calculando tantas posibilidades, los ordenadores cuánticos a veces se equivocan. Los investigadores están trabajando para arreglar esto, pero es otra razón por la que probablemente no tendrá una computadora cuántica que reemplace su procesador mucho más mecánico (y por lo tanto más preciso).
Conclusión: Confusión, pero está bien
«Esa es la única parte de Microsoft, donde ponen diapositivas que realmente no entiendo. Conozco un montón de física y un montón de matemáticas. Pero el único lugar donde ponen diapositivas y son jeroglíficos, es cuántico». – Bill Gates
Consuélese con esto: La mayoría de la gente no tiene idea de cómo funcionan las cosas dentro de su computadora, e incluso los que sí tienen una idea probablemente no entienden todo al respecto. Lo mejor de especializarnos de la forma en que lo hacemos es que no tienes que tener una idea de cómo funciona tu procesador para hacer cosas increíbles con él, y lo mismo ocurrirá con los ordenadores cuánticos. La diferencia clave es que si bien su Intel i7 es bastante limpio, aprender sobre él probablemente no le hará cuestionar la naturaleza misma de la realidad.
