Palentino Blog - Descifrando el futuro: Una introducción al fascinante mundo de la Computación Cuántica

Descifrando el futuro: Una introducción al fascinante mundo de la Computación Cuántica

Publicado en 18 marzo, 2024, por oscardelacuesta en Hardware.

La computación cuántica representa una revolución en el mundo de la tecnología, prometiendo superar los límites de la computación clásica mediante el aprovechamiento de principios cuánticos. En su núcleo, esta innovadora forma de computación utiliza qubits en lugar de los tradicionales bits, permitiendo procesar información a velocidades inimaginables y resolver problemas que hoy en día serían imposibles de abordar en tiempos razonables.

Esta entrada de blog pretende introducir a los lectores en el fascinante mundo de la computación cuántica, explicando sus fundamentos, cómo se diferencia de la computación clásica y el impacto potencial que podría tener en diversas áreas como la criptografía, la investigación farmacéutica, la inteligencia artificial, etc. A través de una exploración de sus conceptos básicos y aplicaciones futuras, se busca proporcionar una visión clara y accesible de lo que la computación cuántica promete para el futuro de la tecnología.

La computación cuántica es un tipo de computación que utiliza las leyes de la mecánica cuántica para procesar información de manera más eficiente que la computación clásica en ciertas tareas. En lugar de usar bits, que son las unidades básicas de información en la computación tradicional y que pueden tener un valor de 0 o 1, la computación cuántica utiliza qubits (bits cuánticos).

Pongamos un ejemplo sencillo, imagina que tienes una moneda. Si la moneda está en el suelo, puede estar cara arriba (como un 0) o cara abajo (como un 1). Eso es como un bit en una computadora normal: solo puede ser 0 o 1.

Ahora, imagina que lanzas la moneda y, mientras está en el aire girando, no es ni cara ni cruz claramente, sino una mezcla de ambos hasta que cae y se decide. En el momento en que está en el aire, si pudiéramos congelar ese instante, la moneda representa tanto cara como cruz al mismo tiempo. Eso es similar a lo que pasa con los qubits en una computadora cuántica.

En la computación cuántica, los qubits son como esas monedas que están girando en el aire. Mientras que un bit tradicional está fijo en 0 o 1, un qubit puede estar en un estado donde, en cierto sentido, es 0 y 1 al mismo tiempo, hasta que se mide y se “decide” por uno de los estados.

Esta capacidad de estar en múltiples estados al mismo tiempo es lo que permite a las computadoras cuánticas procesar una enorme cantidad de información y realizar cálculos de manera mucho más rápida y eficiente para ciertos tipos de tareas en comparación con las computadoras tradicionales.

El término “cuántica” en “computación cuántica” proviene de la mecánica cuántica, que es la rama de la física que estudia el comportamiento de las partículas a nivel subatómico, como electrones y fotones, donde las leyes de la física clásica ya no se aplican de la misma manera. La palabra “cuántica” deriva del latín “quantus”, que significa “cuánto”, y se refiere a la naturaleza discreta y cuantizada de la energía y la materia a escalas microscópicas.

La mecánica cuántica revela fenómenos sorprendentes y no intuitivos que son fundamentales para entender y diseñar tecnologías a pequeña escala, como los semiconductores y los láseres, y también para desarrollar la computación cuántica. Algunos de estos fenómenos incluyen:

Superposición: Las partículas cuánticas, como los electrones, pueden existir en múltiples estados o posiciones simultáneamente hasta que se miden. Este principio se aplica a los qubits, permitiéndoles estar en un estado de 0, 1, o cualquier superposición de ambos.
Entrelazamiento: Dos o más partículas cuánticas pueden correlacionarse de tal manera que el estado de una (no importa qué tan lejos esté) puede depender instantáneamente del estado de la otra. Este fenómeno se utiliza en la computación cuántica para crear correlaciones complejas entre qubits, proporcionando una base para operaciones paralelas y el aumento del poder de procesamiento.
Dualidad onda-partícula: Las partículas cuánticas presentan propiedades tanto de ondas como de partículas. Esta dualidad es fundamental para entender cómo las partículas como los electrones y fotones se comportan a escalas tan pequeñas y es la base de muchos experimentos y tecnologías en mecánica cuántica.

Por lo tanto, se le llama “cuántica” porque la computación cuántica se basa en estos principios y fenómenos cuánticos para procesar y almacenar información de manera radicalmente diferente a cómo lo hace la computación clásica. Utiliza las propiedades únicas de la mecánica cuántica para realizar cálculos que serían extremadamente difíciles o incluso imposibles para un ordenador clásico.

Los qubits tienen propiedades especiales que les permiten estar en un estado de superposición y entrelazamiento:

Superposición: A diferencia de un bit clásico, un qubit puede estar en un estado de superposición, lo que significa que puede representar un 0, un 1, o cualquier combinación cuántica de estos estados simultáneamente. Esto permite que una computadora cuántica procese una enorme cantidad de posibilidades a la vez.
Entrelazamiento: Los qubits pueden estar entrelazados de tal manera que el estado de un qubit puede depender instantáneamente del estado de otro, sin importar la distancia que los separe. Este fenómeno permite que la información se transmita entre qubits de una manera que no tiene equivalente en la computación clásica.

La computación cuántica funciona mediante la manipulación de estos qubits en un estado de superposición y entrelazamiento, realizando operaciones a través de puertas cuánticas y finalmente midiendo los qubits, proceso que colapsa su estado cuántico a un estado clásico de 0 o 1, permitiendo leer el resultado.

Las computadoras cuánticas tienen el potencial de resolver problemas computacionales extremadamente complejos mucho más rápidamente que las mejores supercomputadoras actuales, especialmente en campos como la simulación de sistemas cuánticos, la optimización de problemas complejos, la factorización de grandes números (lo que tiene implicaciones directas en criptografía) y la búsqueda en bases de datos no estructuradas. Sin embargo, la tecnología aún está en sus etapas de desarrollo y enfrenta numerosos desafíos técnicos y teóricos antes de su implementación a gran escala.

La computación cuántica difiere significativamente de la computación clásica o “normal” en varios aspectos fundamentales, cada uno de los cuales tiene implicaciones profundas para lo que las computadoras pueden hacer y cómo lo hacen. Aquí están las diferencias principales:

Unidades básicas de información:
- Computación Clásica: Utiliza bits como la unidad básica de información, que puede estar en uno de dos estados, 0 o 1.
- Computación Cuántica: Emplea qubits, que pueden estar en un estado de superposición, permitiéndoles representar 0, 1, o cualquier superposición de ambos estados simultáneamente.
Procesamiento de información:
- Computación Clásica: Los bits se procesan de manera secuencial o paralela, y cada operación afecta a un bit o un conjunto predecible de bits.
- Computación Cuántica: Los qubits pueden estar entrelazados, lo que significa que el estado de un qubit puede depender del estado de otro, no importa la distancia que los separe. Esto permite realizar operaciones complejas y paralelas a una escala mucho mayor.
Escala y rendimiento:
- Computación Clásica: El aumento de rendimiento generalmente se logra aumentando el número de bits, la velocidad del procesador o la eficiencia del algoritmo.
- Computación Cuántica: El entrelazamiento y la superposición permiten que una computadora cuántica examine una vasta cantidad de posibilidades simultáneamente, lo que puede hacer que ciertos tipos de cálculos sean exponencialmente más rápidos.
Tipos de problemas abordados:
- Computación Clásica: Eficiente para la mayoría de las tareas diarias, como el procesamiento de textos, la navegación web y la ejecución de bases de datos.
- Computación Cuántica: Potencialmente revolucionaria para problemas que requieren la exploración de muchas combinaciones o posibilidades, como la simulación de moléculas para el descubrimiento de fármacos, la optimización de sistemas complejos y la factorización de números grandes.
Estabilidad y error:
- Computación Clásica: Relativamente estable, con errores manejables y bien entendidos que se pueden corregir mediante técnicas de redundancia y corrección de errores.
- Computación Cuántica: Susceptible a errores debido a la decoherencia cuántica y las interacciones con el medio ambiente. El desarrollo de algoritmos de corrección de errores cuánticos es un área de investigación activa.

En resumen, mientras que la computación clásica sigue siendo la columna vertebral de nuestras interacciones y operaciones diarias con la tecnología, la computación cuántica promete abrir nuevos horizontes en la ciencia y la tecnología, permitiéndonos abordar problemas que hoy en día serían inabordables o requerirían tiempos de cálculo impracticables.

Velocidad de los ordenadores cuánticos.

La velocidad de los ordenadores cuánticos no se mide de la misma manera que la de los ordenadores clásicos. En la computación clásica, la velocidad se puede medir en términos de la frecuencia de reloj (gigahertz, o GHz) y se refiere a cuántas operaciones por segundo puede realizar una CPU. Sin embargo, en la computación cuántica, esta comparación directa no es aplicable porque los ordenadores cuánticos no funcionan de manera secuencial como los clásicos.

En la computación cuántica, el concepto de “velocidad” se relaciona más con la capacidad de resolver ciertos problemas mucho más rápido que los mejores superordenadores clásicos. Por ejemplo, un algoritmo cuántico bien conocido, el algoritmo de Shor, puede factorizar números grandes de manera exponencialmente más rápida que el mejor algoritmo clásico conocido. Esto no significa que un ordenador cuántico realice operaciones básicas más rápidamente, sino que puede llegar a la solución de ciertos problemas en muchos menos pasos.

En cuanto a la existencia de ordenadores cuánticos, sí, actualmente existen, pero están en etapas muy variadas de desarrollo y son en su mayoría herramientas de investigación. Empresas como IBM, Google, y D-Wave han construido y operan ordenadores cuánticos. Por ejemplo:

IBM ha estado a la vanguardia en la fabricación de ordenadores cuánticos y ofrece acceso a algunos de sus sistemas cuánticos a través de la nube para fines de investigación y exploración.
Google anunció en 2019 que había logrado la “supremacía cuántica” con su procesador cuántico Sycamore, afirmando que realizó una tarea específica que sería inviable para los mejores superordenadores clásicos en un tiempo razonable.
D-Wave se enfoca en la computación cuántica adiabática y ha vendido ordenadores cuánticos a clientes comerciales y de investigación, aunque estos están diseñados para un tipo específico de problemas de optimización.

Cabe destacar que los ordenadores cuánticos actuales son bastante especializados y no están listos para reemplazar a los ordenadores clásicos en la mayoría de las aplicaciones. Además, son propensos a errores y requieren condiciones de operación extremadamente controladas, como bajas temperaturas y aislamiento de interferencias externas. Aunque hay avances significativos en este campo, todavía estamos en las primeras fases de la computación cuántica, explorando su potencial y tratando de superar sus numerosos desafíos técnicos.

Sistema operativo de un ordenador Cuántico

Los ordenadores cuánticos no utilizan sistemas operativos en el sentido tradicional como los ordenadores clásicos. En los ordenadores clásicos, los sistemas operativos como Windows, macOS o Linux gestionan los recursos del hardware, proporcionan interfaces de usuario y facilitan la ejecución de software. Sin embargo, la naturaleza y el propósito de los ordenadores cuánticos son fundamentalmente diferentes, y su “sistema operativo” no se parece en nada a lo que estamos acostumbrados.

En lugar de un sistema operativo convencional, los ordenadores cuánticos operan con lo que podría considerarse como una capa de control de bajo nivel que gestiona las interacciones entre el hardware cuántico (los qubits y las operaciones sobre ellos) y el software cuántico. Esta capa de control realiza funciones como:

Inicialización de Qubits: Preparar los qubits en un estado inicial conocido antes de ejecutar algoritmos cuánticos.
Secuenciación de Puertas Cuánticas: Ejecutar una serie de operaciones cuánticas (puertas) sobre los qubits para realizar cálculos.
Medición: Realizar la medición de los qubits al final del cálculo y extraer la información en forma clásica.
Corrección de Errores: Aplicar técnicas para detectar y corregir errores en los qubits durante los cálculos.

Aunque no es un “sistema operativo” en el sentido tradicional, algunas plataformas y frameworks de software están diseñados para facilitar la programación y operación de ordenadores cuánticos. Por ejemplo:

Qiskit: Desarrollado por IBM, es un framework de código abierto para trabajar con ordenadores cuánticos a diferentes niveles, desde la creación de circuitos cuánticos hasta la ejecución de experimentos cuánticos en simuladores o en hardware real.
Cirq: Desarrollado por Google, es otro framework de código abierto que permite a los usuarios diseñar, simular y ejecutar algoritmos cuánticos en diferentes tipos de hardware cuántico, incluido su propio procesador cuántico Sycamore.
Ocean Software: D-Wave proporciona este paquete de software para programar y utilizar sus ordenadores cuánticos adiabáticos, centrados en la resolución de problemas de optimización.

Estos frameworks y herramientas proporcionan una capa de abstracción que permite a los desarrolladores y científicos trabajar con hardware cuántico sin necesidad de interactuar directamente con la complejidad del bajo nivel de las operaciones cuánticas. A medida que la tecnología cuántica evoluciona, es posible que veamos el desarrollo de sistemas más avanzados que podrían compararse más estrechamente con los sistemas operativos tradicionales en términos de funcionalidad y abstracción.

Construcción de un Ordenador Cuántico

Construir un ordenador cuántico es un proceso complejo y multidisciplinario que requiere avanzadas técnicas de física, ingeniería y ciencias de la computación. Aquí se describen los pasos generales y consideraciones clave en la construcción de un ordenador cuántico:

Elección del Sistema de Qubits:
- Primero, se debe elegir el tipo de qubits a utilizar. Los qubits pueden ser basados en diferentes sistemas físicos, incluyendo circuitos superconductores, iones atrapados, puntos cuánticos, fotones, entre otros. Cada uno tiene sus propias ventajas, desventajas y requisitos técnicos.
Fabricación y Aislamiento:
- Los qubits necesitan un entorno extremadamente controlado para funcionar correctamente. Esto incluye fabricar dispositivos a nanoescala (en el caso de circuitos superconductores o puntos cuánticos) o construir trampas y cámaras de vacío para iones atrapados.
- El sistema necesita estar aislado de cualquier tipo de interferencia externa, como las vibraciones, las fluctuaciones de temperatura o los campos electromagnéticos, que podrían causar decoherencia cuántica y pérdida de información.
Control y Manipulación de Qubits:
- Se deben desarrollar métodos para controlar y manipular los estados cuánticos de los qubits de manera precisa. Esto implica generar y aplicar pulsos de microondas o láser, campos magnéticos o eléctricos, dependiendo del sistema de qubits utilizado.
Implementación de Puertas Cuánticas:
- Las operaciones lógicas en un ordenador cuántico se realizan mediante puertas cuánticas. Estas puertas alteran los estados de los qubits de acuerdo con los principios de la mecánica cuántica y se utilizan para construir algoritmos cuánticos.
Interconexión y Escalabilidad:
- Los qubits deben estar interconectados de tal manera que puedan entrelazarse efectivamente, un recurso crucial para el poder de procesamiento cuántico. La arquitectura debe permitir la escalabilidad, manteniendo la coherencia y el entrelazamiento a medida que se agregan más qubits.
Sistema de Medición:
- Después de ejecutar un algoritmo cuántico, el resultado se obtiene mediante la medición de los estados de los qubits. El sistema debe incluir un mecanismo preciso para realizar estas mediciones sin introducir errores significativos.
Refrigeración:
- Muchos tipos de qubits, especialmente los basados en circuitos superconductores, requieren temperaturas cercanas al cero absoluto para operar. Esto implica sistemas de refrigeración criogénica avanzados.
Software y Programación:
- Finalmente, se necesita desarrollar software específico que permita programar y operar el ordenador cuántico, así como interfaces que permitan a los usuarios finales aprovechar su capacidad de procesamiento para aplicaciones prácticas.

El desarrollo de ordenadores cuánticos está en la vanguardia de la tecnología y la ciencia, requiriendo colaboración entre físicos, ingenieros, informáticos y matemáticos. Aunque existen prototipos y sistemas en funcionamiento, la computación cuántica todavía está en una fase relativamente temprana, y se están explorando y desarrollando activamente muchos de sus aspectos fundamentales.