Los investigadores de importantes empresas como Google, Intel o IBM se encuentran trabajando en la computación cuántica. Esto es un concepto relativamente nuevo que básicamente viene a transformar la computación tradicional.

Estas investigaciones están en fase experimental. Hay grandes expectativas pero sobre todo muchísimas dudas sobre este tema. Por eso en Futuro Eléctrico hablaremos sobre qué es la computación cuántica, cómo funciona un ordenador cuántico y cuál es el futuro que nos espera.

La cuántica es el arma suprema del siglo XXI.
José Ignacio Latorre
(En entrevista para El Periódico)

¿Qué es la computación cuántica?

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La computación cuántica es una línea de la informática que utilizaría la parte de la física que estudia las partículas atómicas y subatómicas (física cuántica) con el propósito de superar las limitaciones de la computación tradicional.

Se apoya en una nueva generación de ordenadores superpotentes. En otras palabras, una computadora cuántica será capaz de basarse en los principios de la superposición de la materia y el entrelazamiento cuántico. Ello, sin duda, es bastante importante y revolucionario. Sin embargo, las empresas encargadas de llevar a cabo estos estudios han señalado que adquirir una computadora cuántica no será tan sencillo.

La historia de la computación cuántica se remonta al siglo XX cuando distintos científicos presentaron interesantes conclusiones donde se hablaba acerca de la superposición de estado y el entrelazamiento.

La computación cuántica se ha desarrollado en gran medida gracias al algoritmo del temple cuántico en 1989, que tiene gran incidencia en la inteligencia artificial, y al algoritmo de Shor en 1994, que sirve para descomponer un número en sus factores primos de manera eficiente.

De lograrse consolidar el uso de la computación cuántica, muchos sistemas de cifrado quedarían obsoletos. Por eso es que las empresas están en una carrera de velocidad para presentar los resultados más innovadores.

¿Qué es una computadora cuántica?

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Una computadora cuántica, u ordenador cuántico, es aquella capaz de procesar la información mediante cúbits. Este equipo es el responsable de resolver los problemas que una computadora tradicional no puede. En este caso, el bit cuántico puede estar en la superposición de 0 y 1 a la vez.

En los últimos cincos años se han presentado distintos prototipos de computadoras cuánticas. Uno de los más populares ha sido el de IBM que se llama Q System One. Esta computadora trabaja mediante un software de código abierto llamado Qiskit y puede ser usada con fines comerciales.

Su principal característica es que posee un chip cuántico de 20 cúbits. Para que funcione de una manera óptima necesita materiales hiperconductores a una temperatura de 273 grados centígrados bajo cero.

Para alcanzar este propósito, se creó una caja de cristal de museo, la cual tiene en el centro un cilindro plateado que es el refrigerador que mantiene el sistema a la temperatura mencionada.

¿Cómo funciona una computadora cuántica?

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El funcionamiento de un ordenador cuántico es bastante similar a cualquier otro computador. No obstante, la diferencia principal radica en que se recibe información codificada en bits cuánticos. Esto es lo que hace que se realicen cálculos de una manera muy eficiente.

Una computadora cuántica utiliza partículas subatómicas como electrones o fotones. Para administrar y generar estos cúbits las empresas utilizan diferentes métodos. Uno de ellos es mediante el enfriamiento, similar al empleado en el Q System One. El otro es atrapando átomos individuales en campos electromagnéticos mediante chips de silicio. Este caso es el de empresas como IonQ. Ambos métodos lo que buscan es aislar los cúbits en un estado cuántico controlado.

Su funcionamiento es tan complejo que tiene características bastantes particulares. En cuanto al lenguaje de programación, posee desarrollo e implementación de algoritmos muy específicos. Asimismo, un computador cuántico no posee procesador ni memoria.

¿Qué es un cúbit?

Un cúbit o qubit es un sistema cuántico de dos niveles. El primero de ellos es bajo, que se corresponde con un estado de baja excitación (0). El segundo nivel, el alto, se corresponde con un estado de mayor excitación (1).

La particularidad de los cúbits es que pueden estar en superposición cuántica, es decir, pueden estar en cualquiera de los infinitos estados intermedios entre el 0 y el 1. Un ordenador con la capacidad de apenas 30 cúbits puede generar 10 billones de operaciones en coma flotante por segundo.

Un cúbit puede participar en las grandes tecnologías del futuro. Por ejemplo, puede llevar el big data a niveles inimaginables. Además, puede contribuir a que la seguridad con cifrado de extremo a extremo sea prácticamente impenetrable.

¿Para qué sirve una computadora cuántica?: aplicaciones

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Gracias a los avances de la computación cuántica son muchos los ámbitos que pueden tener una transformación increíble. Actualmente la compañía Airbus utiliza la computación cuántica para resolver problemas de optimización y calcula rutas de ascenso y descenso para sus aviones.

De igual forma, Volkswagen, el conocido fabricante de automóviles simula la composición química de las baterías de los coches eléctricos. Esto con el propósito de mejorar su rendimiento.

Dentro del mundo de las finanzas, se mejoran los sistemas de detención de fraude gracias a que la computación cuántica puede ofrecer millones de comparaciones en cuestiones de segundos. Asimismo, la simulación podrá ser bastante útil para optimizar las carteras de inversión.

El transporte en general puede verse beneficiado porque los cúbits facilitan que se puedan planificar de manera más sencilla las rutas.

La computación cuántica puede ser valiosa para el desarrollo del sistema Quantum Key Distribution (QKD), que utiliza principios de la mecánica cuántica. Su funcionamiento se basa en que si un tercero intenta hackear alguna clave secreta, el proceso se altera advirtiendo de la presencia del intruso mediante señales luminosas.

Otra de las aplicaciones de la computación cuántica se encuentra en el área de la salud. De esta manera, puede ser crucial para el desarrollo de nuevos medicamentos contra enfermedades existentes e incluso en caso de mutaciones de algún virus. También puede incidir en las investigaciones del ADN.

En la actualidad, equipos interdisciplinarios se encuentran trabajando en las primeras aplicaciones de la computación cuántica. En ese sentido, las empresas que llevan la delantera en este ámbito son Google, IBM, la NASA, Citigroup, Biogen, entre otros.

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Problemas de la computación cuántica

Imagen de un procesador de computador

La computación cuántica se encuentra enfrentando diversos problemas. El principal es la decoherencia cuántica. Se trata de explicar cómo un estado cuántico entrelazado puede dar lugar a un estado físico no entrelazado.

En ese sentido, la tasa de error se presenta cuando existe una disparidad entre el tiempo de operación frente al tiempo de decoherencia. En consecuencia, cualquier operación debe ser completada en un tiempo más breve que el tiempo de decoherencia.

Otro error hace referencia al rendimiento de los cúbits. Recordemos que la computadora cuántica solo funciona en ciertas temperaturas, de allí que puedan presentarse error al momento de descifrar los códigos. Esto trae como consecuencia que se requiera un espacio bastante amplio para que pueda funcionar.

Los investigadores deben tomar en cuenta, además, que mientras más cúbits, mayor es la probabilidad de error. Por esto, la consultora Altim señala que se requiere una maquinaria adicional que pueda corregir y regular la temperatura correcta y sostiene que esta máquina extra debe ser capaz de «controlar» los cúbits.

De momento, los avances de la computación cuántica tienen a los científicos preocupados porque pueden vulnerarse ciertos datos. Esta información es uno de los problemas a resolver. Muchos sostienen que el internet tal y como lo conocemos podría ser más susceptible a ataques mal intencionados.

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Sin embargo, empresas como Google han empezado a diseñar procesos para protegerse. De hecho, están trabajando en el navegador Chrome para actualizar los protocolos y sistemas de seguridad que actualmente se emplean en la red.

Ventajas de la computación cuántica

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1. Uno de los principales beneficios de la computación cuántica es que tiene muchas aplicaciones en situaciones de la vida diaria. Por ejemplo, la medicina es el campo que puede tener muchos avances.

2. La computación cuántica puede permitir avanzar en la investigación en química, de acuerdo con un estudio realizado por Intel.

3. Es beneficiosa para la búsqueda y desarrollo de fuentes alternativas de energía. La empresa Dubai Electricity and Water Authority es la que actualmente lidera la investigación.

4. La computación cuántica puede ser beneficiosa para frenar el cambio climático.

5. Es clave para el desarrollo del aprendizaje automático y la inteligencia artificial.

6. Este algoritmo cuántico es ideal para la implementación del algoritmo de Grover. Es decir, las búsquedas sería más rápidas.

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Futuro de la computación cuántica

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De acuerdo con diversas firmas especializadas, dentro de 10 años es cuando veremos los verdaderos alcances de una tecnología cuántica sin precedentes. De momento, estamos viendo la fase experimental. Sin embargo, no se ha alcanzado el clímax -aunque Google, por ejemplo, afirme haberlo logrado- de esta investigación que vendrá a revolucionar el mundo: la supremacía cuántica.

Las unidades de procesamiento gráfico (GPU), utilizados en la mayoría de los sistemas de aprendizaje automático o los sistemas de inteligencia artificial se verán superados por la computación cuántica. Además, los ordenadores cuánticos podrán tener una mayor precisión para el desarrollo de nuevas tecnologías.

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Lo cierto es que desde ya la computación cuántica está preparada para abordar problemas que son imposibles de resolver para la tecnología tradicional. De momento, las empresas empiezan a dejar ver sus avances. Por ejemplo, Google indicó que posee un procesador cuántico de 72 cúbits. Sin embargo, no ha superado los problemas de rendimiento, ya que tiene un alto margen de error.

Pero eso no es todo, sino que Google demostró que la computación cuántica es un hecho posible. Esta importante empresa ha realizado con éxito la primera simulación cuántica de una reacción química.

¿Qué quiere decir esto? Que lograron resolver unos de los principales obstáculos de la computación cuántica: aplicar estos algoritmos para la resolución de problemas en la vida real. Algo inédito y que los escépticos creían imposible. Así que a la computación cuántica le espera un gran futuro.

Por su parte, se calcula que a partir de 2030 el mercado de la computación cuántica será de decenas de miles de millones de dólares, de acuerdo con datos publicados por Deloitte. Ello se debe a que esta tecnología impactará en la geopolítica y en la economía.

Palabras finales

Las computadoras cuánticas no las veremos en los próximos 5 años sustituyendo a los ordenadores tradicionales. Pero en una década observaremos cómo ha contribuido al desarrollo de nuevas tecnologías. Se espera que revolucione la tecnología tal y como la conocemos.

No debemos subestimar esta tecnología ni dejarnos llevar por los errores que siguen sin resolverse. Las empresas están en una carrera y no se detendrán hasta que estos ordenadores sean una realidad más palpable. Lo positivo es que puede ser un complemento perfecto para otras ciencias.

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