Computadoras cuánticas: ¿tecnología que puede cambiar el mundo? | Enterarse

Computadoras cuánticas: ¿tecnología que puede cambiar el mundo?

2019/06/05 12:00

Probablemente, hayas escuchado sobre las quantum computers o computadoras cuánticas. ¿Qué significa que una computadora sea cuántica? ¿Para qué sirven y por qué se crearon? En este informe ensayamos algunas respuestas.

¿Qué son las computadoras cuánticas y por qué se crearon?

Cuando uno escucha la palabra “cuántica”, lo que se le viene a la mente es la física cuántica y, justamente, una computadora cuántica es aquella que aprovecha ciertas leyes de la mecánica cuántica para realizar ciertos tipos de operaciones.

En ese sentido, el portal Wired explica que la computación cuántica hace uso de las extrañas propiedades de las partículas subatómicas para poder realizar operaciones mucho más rápido y con menos recursos que las computadoras clásicas. Pero, ¿por qué se crearon?

Las computadoras nos ayudan a hacer un gran número de tareas y operaciones complejas de manera rápida y sencilla. De hecho, actualmente, la computación ha avanzado tanto que nuestros pequeños celulares pueden hacer, sin mucho esfuerzo, lo que hacían antes las primeras computadoras que ocupaban cuartos enteros. Sin embargo, esto no significa que puedan hacerlo todo.

Según Wired, las computadoras convencionales no pueden simular modelos complejos, como por ejemplo ciertas reacciones químicas o moleculares. Por el contrario, las computadoras cuánticas sí lo han logrado. Por ejemplo, en el 2016, los ingenieros de Google, lograron simular una molécula de hidrógeno por primera vez. Pero, ¿por qué estas computadoras pueden hacer algo que las convencionales no?

¿Qué las diferencia de una computadora ordinaria?

Lo primero que debemos entender es que la diferencia entre una computadora convencional y una cuántica no es simplemente la velocidad o la cantidad de memoria. Para entender esta diferencia, es necesario saber primero cómo funciona una computadora convencional.

Las computadoras convencionales funcionan a base de transistores. Podemos imaginar un transistor como una especie de switch o interruptor. Estos interruptores pueden estar prendidos o apagados, como aquellos que tenemos en nuestros hogares. De esta manera, cuando un transistor está apagado, no deja fluir corriente eléctrica y cuando está prendido sí.

Cada una de estas opciones puede ser representada por un número: 1 (prendido) o 0 (apagado). A estos números los llamamos bits. De esta manera, un bit puede tener el valor de 1 o el valor de 0 y son la unidad de información más pequeña en las computadoras convencionales; así funcionan desde nuestros celulares, hasta las super computadoras. Toda la información de nuestros artefactos electrónicos, desde nuestros correos, hasta nuestra música, puede ser representada como una cadena de unos y ceros.

Por otro lado, las computadoras cuánticas no usan bits, sino qubits. El canal Kurzgesagt explica que, mientras que los bits usualmente representan el estado de una corriente eléctrica, los qubits representan el estado de un sistema cuántico: como la dirección en la que gira el campo magnético de una partícula subatómica.

La diferencia principal es que estos estados pueden tener tres valores distintos. Por ejemplo, el campo magnético de un fotón puede girar de manera horizontal o vertical, pero también, por cómo funcionan las partículas subatómicas, puede encontrarse en ambos estados al mismo tiempo. De esta manera, un qubit puede tener el valor de 1 y 0 al mismo tiempo, además de cada uno de estos por separado.

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Fuente: crypviz.io

Esta, no obstante, no es la única propiedad especial de las partículas subatómicas. Otra propiedad especial es el entrelazamiento cuántico. Esto quiere decir que las partículas subatómicas pueden entrelazarse a través del espacio-tiempo. Esto trae como consecuencia que, si una de las partículas cambia de estado, la otra también cambiará de estado, incluso si están separadas por distancias muy largas.

Como explica el portal MIT Technology Review, nadie sabe exactamente cómo funciona este entrelazamiento (simplemente es una propiedad de nuestro universo). Sin embargo, es la llave del poder de las computadoras cuánticas.

En una computadora convencional, si duplicamos los bits que puede procesar, esto se traducirá simplemente en una duplicación de su poder de procesamiento. Por el contrario, en una computadora cuántica, cuando añadimos más qubits, su poder se incrementa exponencialmente por esta propiedad.

¿Qué significa todo esto? Si quieres entender un poco más a fondo sobre cómo opera una computadora cuántica puedes ver el siguiente ejemplo, si no, puedes saltarte la siguiente sección.  

Un ejemplo comparativo

El Youtuber YK Sugi nos da un ejemplo bastante simple de cómo las computadoras cuánticas pueden ser más eficientes que las convencionales (los subtítulos están solo en inglés, pero más abajo te explicamos lo que nos cuenta).

Alice, Becky y Chris tienen que ir al aeropuerto y tenemos dos taxis. Además, sabemos que Alice y Becky son amigas, pero ambas detestan a Chris. Por ello, si alguna de ellas va en el mismo carro que Chris, se sentirán incómodas, pero se sentirán felices si van juntas. Ahora, conociendo este escenario, se nos da la tarea de que busquemos la manera de llevar a las tres personas al aeropuerto maximizando la felicidad.

Resolvamos este problema como lo haría una computadora ordinaria. Primero, llamemos a uno de los taxis #1 y al otro #0. De esta manera, podemos representar quién va en qué auto con los números 1 y 0 de la siguiente manera. Si Chris va en el auto #0 y Becky y Alice en el #1, entonces podemos tener la siguiente cadena de números: 011.

Cada uno de estos números representa un bit. Ahora, veamos todas las combinaciones posibles para organizar a estas tres personas. Dado que cada persona tiene dos opciones para ir al aeropuerto, el número de combinaciones que tiene que evaluar nuestra computadora, sería ocho (2x2x2 = 8).

En total tenemos entonces ocho combinaciones posibles. Ahora, debemos establecer valores para poder calcular la felicidad. Digamos que cuando dos amigos van juntos añadiremos una unidad. Por el contrario, si alguien va con una persona que detesta, restaremos una unidad.

De esta manera, si Becky, Chris y Alice van en un mismo taxi, debemos añadir una unidad, porque Becky y Alice van juntas (y son amigas), pero debemos restar dos unidades, porque tanto Becky como Alice detestan a Chris. Esto nos daría el resultado de -1. Veamos ahora todas las posibles combinaciones.

Vemos que hay dos posibles soluciones para el problema. Para llegar a ella, usando tres bits, una computadora tendría que evaluar 8 veces distintas combinaciones para poder hallar la mejor respuesta.

Sin duda, este problema es bastante simple. Sin embargo, se vuelve extremadamente complejo si incrementamos el número de personas. Para tres personas, una computadora necesita calcular 8 posibles combinaciones (2x2x2 = 8). Si tuviéramos cuatro personas, serían 16 combinaciones posibles y si fueran 100 personas tendríamos un número extremadamente enorme que podemos representar de la siguiente manera: 10³⁰. Esto quiere decir que una computadora convencional tendría que calcular millones de millones de operaciones para hallar la respuesta.

Por el contrario, una computadora cuántica puede representar las 8 posibles combinaciones de nuestro problema con solo tres qubits de la siguiente manera.

En la tabla, el símbolo ɸ representa el 1 y el 0 al mismo tiempo. De esta manera, solo tres qubits representan todas las combinaciones posibles y nuestra computadora cuántica solo necesitaría hacer una operación para calcular la respuesta, mientras que una computadora convencional necesitaría hacer 8 operaciones.  

Pero, además, si el número de personas incrementara, la cantidad de operaciones requeridas por una computadora cuántica para resolver este problema seguiría siendo solo una. Es lo mismo que incremente en 4 o en 100, pues solo necesitará de una operación para hallar la respuesta, en contraposición, una computadora convencional que necesitaría millones de millones de operaciones. De esta manera, las computadoras cuánticas son mucho más eficientes para resolver problemas complejos.  

El futuro de la computación cuántica

Actualmente, esta tecnología aún está en pañales. Por ejemplo, Technology Review explica que las computadoras cuánticas tienden a equivocarse. El estado cuántico de los qubits es sumamente frágil. La interacción con el ambiente puede hacer que la superposición de sus valores (el hecho de que se encuentren en 1 y 0 al mismo tiempo) se acabe antes de tiempo.

Para evitar esto, las computadoras cuánticas son protegidas del ambiente haciendo que operen a temperaturas muy frías y en cámaras de vacío. Sin embargo, aun así cometen errores en sus cálculos. Por ello, muchas veces es necesario que hagan la misma operación varias veces para confirmar los resultados.

Sin embargo, a pesar de sus errores, los investigadores tienen grandes esperanzas en esta tecnología. Como mencionamos anteriormente, una de las aplicaciones más importantes de estas computadoras es simular el comportamiento de la materia a un nivel molecular.

De hecho, Technology Review explica que las empresas farmacéuticas las están usando para analizar y comparar distintos compuestos para la creación de nuevos medicamentos más efectivos.

Por otro lado, empresas como Volkswagen están usando computadoras cuánticas para simular la composición química de las baterías de autos eléctricos para poder mejorar su rendimiento. Aparte, esta empresa también está experimentando en nuevas formas para calcular de manera óptima las rutas para taxis y buses, con el fin de minimizar la congestión en las ciudades.

Fuente: Volkswagen

Otras aplicaciones de la computación cuántica se dan en el campo de la seguridad informática. Mucha de nuestra información más sensible es encriptada por las empresas para evitar que nos roben, como en las contraseñas bancarias, por ejemplo. Actualmente, existen ya algoritmos que permiten resolver algunos métodos de encriptación. Sin embargo, por medio de la superposición, sería posible encriptar la información de tal forma que sea imposible de averiguar. ¡Un hacker tendría que romper con las leyes física para ello!

Por último, otra posible aplicación que aún está en investigación sería la teletransportación de información. Gracias al entrelazamiento cuántico, sería posible transmitir instantáneamente información de un punto a otro.

Resumen

-Las computadoras cuánticas utilizan las leyes de la mecánica cuántica para poder calcular de manera más eficiente y usando menos recursos que una computadora convencional. 

-La superioridad de este tipo de tecnología radica en parte en el hecho de que, en lugar de usar bits (que admite solo el valor de 1 o 0) como medida mínima de información, usa qubits que admiten una tercera opción, que es la posibilidad de estar en 1 y 0 al mismo tiempo.

-Si bien recién se está empezando a desarrollar esta tecnología, se espera que nos beneficie en distintos ámbitos: desde mejorar el tráfico, hasta lograr nuevos medicamentos más eficientes, e incluso teletransportar información.

Por:

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Equipo de investigación

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