Computación cuántica: ¿en qué se diferencia de la computación clásica?

Hace unos meses IBM presentó el Q System, el primer ordenador cuántico. La compañía explicó, para los recién llegados a estos paradigmas de la computación, que se trataba de un computador que podría resolver, de forma mucho más rápida que los ordenadores convencionales, una serie de acciones mucho más complejas. Se hablaba de ‘cúbits’ como unidades de valor, dejando atrás los ‘bits’ tradicionales.

Para comprender el funcionamiento de un ordenador cuántico, y de la mecánica cuántica en la que se basa, debemos trasladarnos a principios del siglo XX cuando se habló de ella por primera vez. Se empezó, entre otras cosas, a estudiar las partículas del átomo y sus electrones en una escala microscópica que nunca antes se había hecho. “Un cambio conceptual”, como lo define Arnau Riera, doctor en Física Teórica, profesor de secundaria y asesor de la exposición 'Cuántica', llevada a cabo en el Centro de Cultura Contemporánea de Barcelona (CCCB) . “En el mundo clásico, las propiedades de los sistemas que estudiamos están bien definidas. En el mundo cuántico no es así: las partículas pueden tener diferentes valores, no son un objeto puntual, su posición está diluida”, detalla.

La complejidad de la física cuántica es tal que incluso Richard Feyman, Nobel de física en 1965 y uno de los padres de la computación cuántica en los años 80 del siglo pasado dejó dicho: “Creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica”.

A la hora de aproximarnos a un ordenador cuántico, nos sirve tanto conocer cómo funciona como cuáles son las diferencias con un ordenador tradicional. Lo primero que debemos tener en cuenta es que usan unidades mínimas de información diferentes: ‘bits’ y ‘cúbits’. Cualquier elemento de un ordenador clásico está escrito en un código binario (1 o 0), que se traduce en electricidad: si el voltaje es alto se representa en 1, si es más bajo se representa en 0. En la computación cuántica el valor son los ‘cúbits’ que pueden ser 1, 0 o 1 y 0 a la vez, superponerse y entrelazarse según las leyes físicas. Esto hace que los ‘cúbits’, a diferencia de los ‘bits’, puedan tomar varios valores a la vez y puedan desarrollar cálculos que no puede hacer un ordenador convencional.

Juan José García Ripoll, investigador del Instituto de Física Fundamental del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), da algunas pistas. “En la computación clásica sabemos cómo crear soluciones a problemas gracias al lenguaje de computación ('AND, OR NOT') con el que se escribe programación. Con un computador cuántico se pueden hacer operaciones que no están disponibles en la computación de ‘bits’. En un ordenador cuántico se superponen todos los números y posibilidades que se pueden crear con N ‘cúbits’ (si son tres ‘cúbits’ serían ocho posibilidades de manera simultánea). Con 1000 ‘cúbits’ las posibilidades exponenciales son muy superiores a las que tenemos con un ordenador clásico”.

Los ‘cúbits’, a diferencia de los ‘bits’, puedan tomar varios valores a la vez y puedan desarrollar cálculos que no puede hacer un ordenador convencional

En la actualidad, a diferencia de la informática clásica, no existe un lenguaje computacional cuántico como tal. Los investigadores trabajan en desarrollar algoritmos (la matemática con la que trabajan también los ordenadores clásicos) que puedan dar soluciones concretas a problemas planteados. “Son formas diferentes de trabajar. Un computador cuántico no sirve para hacer tareas cotidianas,” expone García Ripoll. “No cuentan con memoria o procesador. Únicamente tenemos un grupo de ‘cúbits’ con los que escribimos la información y operamos sobre ellos. No hay una arquitectura tan complicada como la de un ordenador convencional. Ahora mismo son sistemas muy primitivos asimilables a una calculadora de principios del siglo pasado pero su capacidad de cálculo para determinados problemas es mucho más alta que un ordenador convencional. Existe esa dicotomía entre lo que parece algo muy simple pero hace una cosa muy potente”, matiza García Ripoll.

¿Cómo es un ordenador cuántico y en qué condiciones funciona?

Cuando IBM presentó su ordenador cuántico, a muchos les sorprendió su aspecto. No había pantallas, teclados o procesadores como estamos acostumbrados. En sus imágenes se observaba una máquina en forma de campana recubierta de cables de cobre y guardada en un cubículo de vidrio. Nadie salvo los investigadores puede acercarse a los ordenadores cuánticos y las personas que trabajan con ellos, como los investigadores del CSIC, lo hacen a través de la nube con ordenadores tradicionales.

“Estamos ante prototipos que son muy sensibles, sufren errores. Técnicamente son muy complejos porque en el momento en que un agente externo influye o interacciona con un sistema cuántico lo mide y la superposición se borra”, explica Riera. Mientras que en un ordenador clásico si hay una interferencia en su sistema, él mismo puede corregirse y seguir funcionando, eso no sucede, de momento, con los computadores cuánticos.  “Las perturbaciones externas obligan al sistema a definirse hacia 1 o 0. Para evitar esto hay que aislar el sistema muy bien: que los átomos estén muy quietos y nada los haga colisionar e interactuar con el entorno. Tener esta quietud requiere unas temperaturas y unos procesos muy precisos”, apunta este doctor en Física Teórica. Estos computadores deben estar a una temperatura de -273º C, sin apenas presión atmosférica y asilados del campo magnético terrestre.

Al mismo tiempo, la información no puede almacenarse porque sus periodos de funcionamiento son muy cortos. “Su tiempo de cálculo es finito, a partir de un tiempo la información se deteriora. Funcionan por periodos muy cortos de tiempo y tenemos que pensar cómo aprovechar esos periodos y extraer la información de manera precisa”, detalla García Ripoll.

¿Qué podemos hacer con un computador cuántico?

Los campos en los que la computación cuántica puede traer novedades y desarrollos van desde la industria farmacéutica y la investigación de nuevos medicamentos, la creación de nuevos materiales e incluso las llamadas finanzas cuánticas, en las que BBVA ya ha empezado a interesarse. En este campo, con la computación clásica podemos predecir, gracias a un algoritmo matemático, el devenir del riesgo de una cartera o estudiar la evolución de la bolsa durante un periodo de tiempo. Pero con la computación cuántica se abre un abanico de opciones por descubrir. “Un ordenador cuántico es capaz de crear superposiciones con múltiples probabilidades que no conseguimos hoy en día e interrogarle sobre las funciones de esas probabilidades. En este campo va a ser mDifereás eficiente el ordenador cuántico que uno clásico”, señala García Ripoll.

Pese a todas las posibilidades que se abren, aún debemos ser cautos. Sobre todo en la vida cotidiana. La computación cuántica no va a descargarnos un vídeo de forma más rápida ni va a servir para que un jugador de videojuegos tenga una mejor tarjeta gráfica. Los investigadores trabajan en los algoritmos y los modelos matemáticos que en un futuro cercano puedan ejecutar tareas que hoy se demoran mucho tiempo. “La computación cuántica está empezando, estamos muy en los comienzos”, concluye García Ripoll.