Computación Cuántica: Un universo de múltiples posibilidades

Hoy en día la tecnología avanza a pasos agigantados. A todos nosotros nos resulta familiar el BigData, la inteligencia artificial, el block-chain. Pero, en los últimos años, surge un nuevo concepto que parece dominar nuestra cotidianidad: la computación cuántica, un fenómeno que se acerca más a cumplir realidades que hasta hace poco parecían meras utopías.

¿Qué es la computación cuántica?

De este concepto surge la novedosa idea de los superordenadores del futuro: máquinas capaces de procesar mucha más información mucho más rápido.

Tal y como expone en la conferencia para la Universidad de Castilla-La Mancha el físico Juan Ignacio Cirac, director de la división teórica del Instituto Max Planck en Alemania, la computación cuántica está basada en la física cuántica y el desarrollo de esta se refleja, particularmente, en la conocida Ley de Moore. Esta ley expone que el número de transistores por unidad de superficie, es decir, el dispositivo básico de la electrónica en la actualidad, crece exponencialmente con los años, lo que quiere decir que, con el pasar del tiempo, los transistores se harán cada vez más pequeños.

Por un lado, esto resulta favorecedor puesto que cuanto menor sea el tamaño, más información se podrá almacenar a más velocidad. Sin embargo, cuanto más pequeño sea el instrumento, las reglas de la física clásica dejarán de ser aplicables. Es en este punto donde hace entrada la física cuántica y sus leyes del mundo nano.

Como dato revelador, en la actualidad el tamaño mínimo que manejan estos dispositivos es de 10 a 15 nanometros, un tamaño no observable ni siquiera en los microscopios.

El objetivo principal es poder llegar al Armstrong, es decir, al tamaño atómico. En estas escalas la física convencional es incapaz de explicar estos fenómenos y, por lo tanto, se debe recurrir a la física cuántica.

Los fundamentos de la física cuántica y la computación

La física cuántica nació a principios del siglo XX cuando el científico alemán Max Planck contradijo todas las teorías previas afirmando que la luz está formada por pequeñas partículas que posteriormente se llamaron fotones. Esto impactó enormemente en el mundo de la física puesto que rompía con el presupuesto de que la luz estaba compuesta por ondas electromagnéticas.

Esta teoría nos permite describir mucho más en profundad los elementos que nos conforman, desde las partículas de Higgs, quarks, leptones, núcleos, átomos, moléculas…

A pesar de que esta teoría describe de manera más exacta los sucesos que nos rodean, esta tiene algunas consecuencias incómodas para los científicos. Aun así, estas “incomodidades” juegan a favor de los teóricos de la computación cuántica.

El experimento de la doble rendija

El experimento de la doble rendija sirve para ejemplificar cómo los físicos usan estas “incomodidades” en beneficio de la computación. Este ejercicio sirvió durante mucho tiempo para explicar el comportamiento de la luz como onda electromagnética. Se coloca una fuente de luz monocromática (procedente de un láser) y se sitúa delante de una pared donde se hacen dos rendijas.

Más adelante se pone una pantalla donde se observan alternadamente regiones de luz y sombra, lo que se conoce como franjas de interferencia. En otros términos, podemos paragonar los rayos de luz con las olas del mar, las cuales pasan por las rendijas y chocan, formando olas secundarias. En la pantalla llegaran las crestas de las olas más grandes, que en términos de luz contiene mucha energía, y por otro lado llegarán las crestas de las olas secundarias con menos energía que corresponden a aquellas zonas donde no hay luz.

Planck reinterpretó este experimento afirmando que la luz en vez de ondas son partículas, que se comparan con las canicas, y que llegan de una rendija o de otra, a veces se chocan y por ello se forma esa franja de interferencia.

Para mejorar el experimento, se lanza un solo fotón, es decir una sola canica, puesto que evita que estas interaccionen entre ellas cambiando su trayectoria. A pesar de esto, se observa que siempre hay lugares donde los fotones no llegan, es decir, zonas donde hay oscuridad.

La superposición como herramienta para la computación cuántica

La única forma de explicar esto es que una misma partícula pase por las dos rendijas a la vez. Y he aquí donde se encuentra esa consecuencia indeseada que en física cuántica se conoce como el concepto de superposición. La superposición puede explicarse afirmando que la vida de esa partícula se desdobla en dos: la partícula pasa al mismo tiempo tanto por la derecha como por la izquierda.

Pero estas superposiciones son muy susceptibles, en cuanto algo ocurre, es decir, la mera observación del hecho hace que uno de los “universos” superpuestos destruya al otro, lo que se conoce como colapso de la función de onda. De aquí surge otra inconveniencia puesto que la simple mirada y observación humana interfiere con este y la partícula desparece en una de sus formas.

Construcción de la información cuántica en los superordenadores

La idea de la computación cuántica es utilizar esta propiedad de la superposición para aprovechar que la partícula puede hacer muchas cosas a la vez. En la computación, en vez de usar los fotones de luz, se usa como agente elemental los electrones, que comparten las mismas características de onda-partícula. Para ello, la computación cuántica juega además con otro concepto: los spines o polaridad de los electrones.

Los electrones, una partícula fundamental que conforma los átomos, poseen polaridad: se comportan como un imán que tiene un polo negativo y otro positivo. Los electrones ayudan a almacenar datos puesto que podemos codificar esta información en el ordenador en forma de bits, o los famosos ceros y unos. El comando 0 codifica la información poniendo el imán hacia arriba y 1 al ponerlo hacia abajo.

Un bit clásico puede encontrase en dos estados, o 0 o 1. Sin embargo, un bit cuántico o qubit, puede encontrarse en múltiples estados, correspondiendo cada uno a las diferentes superposiciones de los electrones de 0 y 1. Esto significa una ampliación del poder de computación de los qubits con respecto a los bits clásicos, almacenando más información a más velocidad.

La computación cuántica abre muchos horizontes tecnológicos

Las oportunidades por lo tanto son casi infinitas y su investigación y desarrollo es sin duda puntero en la actualidad. Según el informe de McKinsley & Company de abril de 2023 se estima que, para 2035, la proyección económica de la computación cuántica está entre los US$ 620.000 millones y los US$ 1,27 billones para 4 industrias principales: química, finanzas, ciencias de la vida y automoción.

Aunque estos sectores son los más beneficiados por la idea de los superordenadores cuánticos, también son aplicable en múltiples sectores. Son ejemplos el campo de la salud para el desarrollo de fármacos más sensibles y específicos, la rama energética y la búsqueda de materiales eficientes, el área de las finanzas y la ciberseguridad para la encriptación de datos y detección de fraude y simulación, y el transporte e industria y la búsqueda de maximizar la movilidad, almacenamiento y distribución.

“La computación cuántica es uno de los sectores más competitivos del mundo, comparable con la pugna entre Estados Unidos y la Unión Soviética por la conquista del espacio en los años 60”, explica Sánchez Toural, profesor de física de la Universidad Autónoma de Madrid. Además, afirma que «el primer gobierno que consiga dominar esta tecnología tendrá ventaja sobre el resto». La justificación es que tendrá la capacidad de predecir mejor, de simular mejor, de analizar un mayor número de escenarios, ya sea sobre el desarrollo de un nuevo fármaco, una catástrofe natural o la siguiente crisis financiera.

Computación cuántica e IA

El alcance de esta tecnología es inmenso y recientemente se está estudiando la posibilidad de combinar la computación cuántica con la Inteligencia Artificial.

Este proyecto está abanderado por la startup argentina /q99: “Nuestro primer desarrollo es un motor que captura y sincroniza enormes cantidades de datos internos y externos con modelos de IA y poder computacional cuántico. Una vez entrenados, estos sistemas pueden gestionar cualquier proceso de manera más rápida, eficiente y sofisticada que los mejores softwares del mercado”, explica Facundo Díaz, CEO de la empresa.

Conclusión

La física cuántica abre un campo de exploración infinito en el cual, teniendo de ejemplo más representativo la computación cuántica, se permite procesar mucha más información en el menor tiempo posible.

En una realidad donde cada vez se conocen más cosas de manera más específica, el manejo de la información se convierte en un poder que, con el tiempo, va a poder estar al alcance de todos.

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