10 preguntas para entender el funcionamiento de la computación cuántica

La computación cuántica promete cambiar el mundo tal como lo conocemos. Aún no sabemos todo de lo que será capaz, pero está matemáticamente comprobado que esta tecnología podrá solucionar problemas que actualmente son imposibles de resolver para la computación clásica. Un ordenador cuántico podría hacer en 10 segundos lo que a uno clásico le puede llevar mil años. Por eso, a pesar de ninguna computadora cuántica puede realizar una tarea útil de manera más rápida, económica o eficiente que una computadora clásica actualmente, esta tecnología ya se está empezando a aplicar en campos como la criptografía, la inteligencia artificial o los vehículos eléctricos.

La complejidad de su desarrollo hace que existan numerosas dudas alrededor de esta disciplina. De hecho, la mayor parte de la sociedad no sabe muy bien qué es ni cómo funciona un ordenador cuántico. Resolvemos doce dudas frecuentes.

Es una rama de la informática que se basa en los principios de la mecánica cuántica, el área de la física que estudia el comportamiento de las partículas más pequeñas. «Este es un modelo de procesamiento de la información totalmente nuevo y no sabemos cuáles son sus límites. De lo que estamos seguros es que servirán para resolver los llamados 'problemas exponenciales', es decir, aquellos en que el tiempo o el espacio requerido para solucionarlos aumenta rápidamente a medida que crece el tamaño de los datos de entrada, lo que hace que nuestros ordenadores clásicos se queden sin memoria antes de poder resolverlos», expresa Juan Luis Sánchez Toural, director del Máster en Computación Cuántica de la Universidad Internacional de La Rioja (UNIR).

Los ordenadores, móviles y supercomputadores que utilizamos actualmente se rigen por las leyes de la mecánica clásica y almacenan la información en 'bits', circuitos eléctricos que pueden adoptar uno de dos estados posibles, el 0 o el 1, pero nunca los dos a la vez. Un único bit es poco práctico, por eso se agrupan en conjuntos de 8, conocidos como bytes. Por ejemplo, la letra A es una colección de 8 bits (en concreto, 01000001). Esto es lo que permite crear desde una hoja de cálculo a escribir un correo electrónico o hacer compras 'online'.

Por su parte, la computación cuántica se rige por las leyes de la mecánica cuántica y manipula cúbits. A diferencia de los bits, los cúbits pueden adoptar el estado de 0 y de 1 simultáneamente, lo que se conoce como superposición. Así, son capaces de almacenar una cantidad exponencialmente grande de información que, además, se puede manejar en paralelo, gracias a otra de sus cualidades, llamada entrelazamiento. «Solo 20 cúbits corresponden a un millón de estados distintos, así que imagina las posibilidades que ofrece la computación cuántica», destaca Sánchez Toural.

Los transistores electrónicos son la pieza fundamental que permite a los ordenadores clásicos funcionar. Actúan como mensajeros que mueven la información de un punto a otro y, cuanto menor es su tamaño, más rápido actúan. De ahí que los procesadores cada vez sean más pequeños y que cualquier teléfono actual sea más potente y rápido que el mejor supercomputador de hace 60 años. Ahora mismo, el transistor más minúsculo tiene un tamaño de cinco nanómetros, que son unos 20-30 átomos. Sin embargo, esa miniaturización no es infinita. Al reducir al mínimo el tamaño del transistor y multiplicar su capacidad de computación, estos dejan de funcionar, porque entran en otro reino de la naturaleza, que es el cuántico, donde las leyes son distintas, afirma el especialista. Así, ante determinados problemas muy complejos que requieren una capacidad de computación mayor, hasta las supercomputadoras fallan, lo que hace necesaria la computación cuántica para resolverlos.

Los grupos de cúbits entrelazados en superposición pueden crear espacios computacionales complejos y multidimensionales donde los problemas más difíciles de resolver se representan de nuevas formas para hallar soluciones. «Para que esto sea posible, los cúbits tienen que estar totalmente aislados y a una temperatura muy baja, cercana al cero absoluto, porque son muy sensibles al 'ruido' exterior (ondas electromagnéticas, luz, rayos cósmicos…). El ruido puede dar lugar a la pérdida de información cuántica o decoherencia», explica Sánchez Toural.

Porque lo que pretendemos es muy difícil. «Ahora mismo estamos en la llamada era NISQ (Computación Cuántica de Escala Intermedia Ruidosa), en la que nuestros cúbits funcionan con una fiabilidad bastante imperfecta. Los cúbits existen en un estado de mínima energía. Cuando aplicamos energía sobre ellos y les damos una orden, cambian de estado durante un tiempo muy corto, llamado 'tiempo de coherencia'. En un segundo hay 1 millón de microsegundos. De ese millón, nosotros tenemos 100 microsegundos para hacer nuestros cómputos antes de que el cúbit vuelva al estado de mínima energía», cuenta Sánchez Toural. Según avanza la investigación, el tiempo de coherencia se alarga y la fiabilidad del cúbit aumenta, pero el ruido no desaparece, incluso aunque se mantenga muy frío y totalmente aislado del entorno.

Esto se debe al fenómeno físico conocido como 'radiación del cuerpo negro', por el que todo objeto que no está a 0 grados Kelvin irradia energía. «Esa temperatura ideal es imposible de alcanzar, con lo cual, tenemos que luchar constantemente contra el ruido y eso hace que no podamos conseguir todo lo promete la computación cuántica, al menos todavía», explica el docente. La solución que se utiliza actualmente contra el ruido cuántico es el cúbit lógico, compuesto de una colección de cúbits físicos. «De este modo, si un cúbit físico de la colección se altera, podemos reconstruir la información a partir del resto, aumentando su fiabilidad. Lo malo es que el cúbit lógico emplea muchos más recursos».

El procesador cuántico más avanzado desarrollado hasta la fecha, que es la tecnología de cúbits superconductores, utilizada por empresas como Google o IBM, tiene unos 400 cúbits, aproximadamente, pero se prevé conseguir procesadores de más de 1.000 cúbits a finales de 2023, cuenta el docente.

«Sabemos que tiene posibilidades infinitas, pero todavía no podemos imaginar a dónde llegaremos. Tampoco estamos seguros de que el control de objetos cuánticos, con la precisión que necesitamos, sea realmente posible a la escala que pretendemos», asegura Sánchez Toural. Algunos de los campos de estudio en los que ya se ha empezado a aplicar esta tecnología son la criptografía, la inteligencia artificial, los vehículos eléctricos o el desarrollo de medicamentos.

Nos encontramos en una especie de carrera cuántica en la que numerosas empresas y gobiernos están persiguiendo la capacidad de procesar más rápido, pues implica predecir mejor, por ejemplo, la evolución de los mercados financieros. Las empresas estadounidenses (Microsoft, Intel, IBM, Google…) y chinas (Alibaba) llevan la delantera. En Europa, Alemania, Francia o Reino Unido, también están realizando aportaciones importantes. «Igualmente, las grandes empresas de banca, transporte, logística y aseguradoras ya tienen equipos de computación cuántica para ir experimentando y aplicándola a los problemas computacionales a los que ellos se enfrentan con sus servicios y productos, con el fin de estar preparados para cuando esta tecnología sea útil», dice Sánchez Toural.

En España, a partir de finales de este año, el Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS) de Barcelona, seleccionado por el consorcio de supercomputación de la Unión Europea, albergará y operará un ordenador cuántico EuroHPC, el primero del sur de Europa. Más adelante, a finales de 2024, IBM instalará en San Sebastián su sexto ordenador cuántico, el IBM Quantum System One.

El especialista de UNIR cuenta que, para navegar seguros por la red, la computación clásica se basa en un sistema de cifrado llamado RSA. Este se apoya en la factorización, que consiste en coger un número muy grande y encontrar los dos números primos que, multiplicados entre sí, dan ese primer número como resultado. Al resolverlo, se rompe el RSA y uno puede ver la información cifrada. Romper el RSA es un problema exponencial que a un ordenador clásico le puede llevar miles de años resolver, por eso es un sistema seguro. Sin embargo, un ordenador cuántico, con la capacidad y la fiabilidad necesarias, que no tenemos hoy en día, podría romperlo en 10 segundos. «Este mecanismo es interesantísimo si se aplica, por ejemplo, a la inteligencia artificial, pero también puede suponer un problema, porque en cuanto la computación cuántica se convierta en un sistema útil, toda la información cifrada que tenemos actualmente (transacciones financieras, datos de seguridad nacional, conversaciones…) quedará expuesta», asegura.

Esa posibilidad ha impulsado el desarrollo de la criptografía cuántica, es decir, una forma de cifrado cuántico que es totalmente inviolable. «En Europa, por ejemplo, se está desarrollando el programa Quantum Flagship, cuyo objetivo es crear autopistas de comunicaciones con cifrado cuántico que conecten una colección de ordenadores cuánticos», añade.

«Los ordenadores cuánticos avanzados están en centros de procesamiento de datos, que son lugares con unas condiciones y mantenimiento muy especiales, a los que se puede acceder a través de la nube desde cualquier parte del mundo. Todos los países más desarrollados tienen al menos uno», señala Sánchez Toural. También existen ya algunos ordenadores cuánticos comerciales desarrollados por los chinos basas en resonancia magnética nuclear. Tienen 12 cúbits, así que son como un juguete y no se puede hacer gran cosa con ellos, pero existen. Cuestan alrededor de 10.000 euros, cuenta.

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