Autor: Lic. Adaceli Leiva Reyes / adaceli.leiva@cav.jovenclub.cu
Quantum computing, present and future
Resumen: La computación cuántica significa un gran desafío para los ingenieros y científicos, ya que plasma por primera vez la teoría cuántica aplicada a la computación desde el papel a la vida real. Esta disciplina tiene el potencial de tener un impacto significativo en diversas áreas e industrias, y presenta desafíos importantes que deben ser abordados para que se aproveche al máximo. Este artículo analiza los elementos y conceptos necesarios para el aprendizaje y entendimiento de esta tecnología tan compleja e innovadora.
Abstract: Quantum computing represents a great challenge for engineers and scientists, since it translates quantum theory applied to computing from paper to real life for the first time. This discipline has the potential to have a significant impact on various areas and industries, and presents important challenges that must be addressed to get the most out of it. This article analyzes the elements and concepts necessary for learning and understanding this complex and innovative technology.
La computación cuántica es una tecnología nueva que hace uso de fenómenos de la mecánica cuántica y tiene el potencial de resolver problemas complejos. Entre los fenómenos antes mencionados se encuentran los átomos, superposición, amplitudes de probabilidad o entrelazamiento cuántico, etc. A diferencia de la gran mayoría de las computadoras de hoy en día, las computadoras cuánticas no usan el sistema binario de unos y ceros. Los ordenadores cuánticos, utilizan el principio de la superposición o el entrelazamiento cuántico en forma de qubit (del inglés Quantum Bit).
Si todas las predicciones son correctas, los ordenadores cuánticos desencadenarán una revolución tecnológica; su potencial y su aplicación darán un gran impulso en ámbitos como las finanzas, la ciberseguridad, la logística, la criptografía, así como el big data, acelerar tareas de optimización y análisis de datos en campos como la inteligencia artificial y otros.
El comienzo de la computación cuántica
La computación cuántica empezó a desarrollarse en la década de los ochenta cuando Richard Feynman en 1982 observó que era imposible simular sistemas cuánticos de manera eficiente en computadoras clásicas. Posteriormente, en 1985, David Deutsch demostró formalmente que las computadoras cuánticas tienen la capacidad de resolver ciertos problemas mucho más rápidamente que las computadoras clásicas.
En 1986, Richard Feynman mostró como un sistema cuántico puede utilizarse para mejorar el rendimiento computacional, que actúa como un simulador probabilístico de grandes dimensiones, para los cuales el almacenamiento convencional no es eficiente.
A lo largo de los años de la década del 90 la teoría empezó a plasmarse en la práctica, y aparecen los primeros algoritmos cuánticos, las primeras aplicaciones y las primeras máquinas capaces de realizar cálculos con ellos.
La idea se volvió realidad en 1994 cuando Peter Shor propuso el primer algoritmo cuántico capaz de factorizar grandes números en un tiempo polinomial. En este algoritmo, se utilizaron métodos de computación cuántica basados en principios de mecánica cuántica, mientras que los algoritmos clásicos se utilizaron para verificar la corrección de las soluciones candidatas generadas por los algoritmos cuánticos. La conjunción de todas estas ideas ha conducido a la concepción actual de ordenador cuántico. Desde entonces, el interés por ellos no ha dejado de crecer.
La computadora cuántica
Una computadora cuántica es un dispositivo que utiliza propiedades de la mecánica cuántica para conseguir ventajas en la resolución de ciertas tareas. El uso de la superposición, la interferencia y el entrelazamiento posibilita la definición de nuevos algoritmos que llegan incluso a tener una ganancia exponencial con respecto a los mejores algoritmos clásicos de los que disponemos para esos problemas.
Por tanto, un ordenador cuántico no es, simplemente, un ordenador más rápido. Sino, permite realizar cómputos de una manera diferente, que no está al alcance de los ordenadores convencionales. Esto se traduce, habitualmente, en una diferencia en el crecimiento del tiempo necesario para resolver un cierto problema en un ordenador cuántico frente al tiempo que emplearía un ordenador clásico.
El qubit como unidad básica de funcionamiento
La unidad básica del cómputo clásico es el bit, que representa un sistema binario clásico con dos posibles estados: 0 ó 1. En la computación cuántica, el qubit es la unidad básica de información (del inglés Quantum Bit), que pueden representar tanto un 0 como un 1 al mismo tiempo gracias al fenómeno de superposición cuántica, cada qubit puede tener un número infinito de valores.
La potencia de una computadora cuántica se mide en términos de qubit y de la capacidad de mantener la coherencia cuántica durante el procesamiento de información. Cuantos más qubit tenga una máquina y más tiempo pueda mantener la coherencia cuántica, más poderosa será la misma.
La informática cuántica almacena y procesa información, para ello aprovecha las propiedades únicas de partículas fundamentales: electrones, átomos y pequeñas moléculas pueden existir en múltiples estados energéticos a la vez. Este fenómeno se conoce como superposición, y los estados de las partículas pueden entrelazarse entre sí. Eso significa que la información puede codificarse y manipularse de formas novedosas y abrir las puertas a una serie de tareas informáticas imposibles hasta este momento.
Esto hace que una computadora cuántica pueda ejecutar billones de operaciones simultáneamente, permitiéndole resolver en tan solo 36 microsegundos un problema que le tomaría más de 9,000 años a una computadora clásica.
La superposición cuántica es la propiedad de las partículas subatómicas de tener múltiples estados simultáneos, por ejemplo un «0» y un «1» a la vez. Si asociamos estos estados a un qubit, esta propiedad permite operar matemáticamente con todos los valores del qubit simultáneamente. En definitiva, un vector de n qubits representa a la vez 2 estados.
El fenómeno del entrelazado se produce cuando dos partículas subatómicas permanecen indefectiblemente relacionadas entre sí, siempre que hayan sido generadas en un mismo proceso (por ejemplo, la desintegración de un neutrón en un positrón y un electrón). Estas partículas forman subsistemas que no pueden describirse separadamente. Cuando una de las dos sufre un cambio de estado, repercute en la otra. Y eso ocurre de forma instantánea y con independencia de la distancia que las separe en ese momento. Esta característica se desencadena cuando se realiza una medición sobre una de ellas. Este fenómeno se puede aprovechar en la teletransportación cuántica para transmitir información y asimismo puede emplearse como mecanismo de seguridad en la criptografía cuántica.
Ventajas y desventajas
La computación cuántica ofrece una serie de ventajas que podría revolucionar el mundo de la tecnología y la informática, entre ellas se podrían mencionar:
1. Mayor capacidad de procesamiento: Los ordenadores cuánticos tienen el potencial de realizar cálculos mucho más rápidos y complejos en comparación con los ordenadores clásicos. Esto se debe a su capacidad para aprovechar los principios de la mecánica cuántica, como la superposición y el entrelazado de partículas subatómicas.
2. Resolución de problemas complejos: La computación cuántica puede ayudar a resolver problemas matemáticos y algoritmos complejos de manera más eficiente y precisa. Esto es especialmente relevante en áreas como la criptografía, la optimización de procesos, la simulación de sistemas físicos y químicos, y la inteligencia artificial.
3. Avances científicos y médicos: La capacidad de realizar simulaciones cuánticas precisas permitirá avances significativos en áreas como la medicina, la biología y la física. Por ejemplo, podría ayudar a acelerar la creación de nuevos medicamentos, entender mejor los procesos biológicos complejos o analizar datos masivos en tiempo real.
4. Seguridad en la comunicación: La computación cuántica también tiene el potencial de mejorar la seguridad de la comunicación. Los algoritmos cuánticos ofrecen métodos de cifrado más robustos, que serían casi imposibles de romper incluso para los sistemas de hacking más avanzados.
Pero también presenta una serie de desventajas y retos que deben ser considerados:
1. Fragilidad de los qubits: Los qubits, las unidades de información utilizadas en la computación cuántica, son extremadamente sensibles a las perturbaciones del entorno. Cualquier interacción con el medio ambiente, como ruido térmico o interferencia electromagnética, puede ocasionar errores en los cálculos. Esto dificulta el mantenimiento de la coherencia cuántica y la estabilidad de los qubits durante un tiempo prolongado.
2. Dificultad en la construcción de sistemas escalables: La construcción de sistemas de computación cuántica a gran escala es un desafío técnico enorme. Hasta el momento, los investigadores han logrado desarrollar sistemas con un número limitado de qubits. Sin embargo, se requiere aumentar significativamente la cantidad de qubits para realizar cálculos complejos de manera eficiente. La integración de un gran número de qubits sin comprometer su funcionalidad y estabilidad sigue siendo un obstáculo importante.
3. Requerimientos técnicos y costos elevados: La computación cuántica requiere condiciones ambientales muy precisas y extremadamente frías para mantener la coherencia cuántica de los qubits. Esto implica la necesidad de infraestructuras y sistemas de refrigeración especializados, lo cual incrementa significativamente los costos tanto en el desarrollo como en el mantenimiento de los sistemas cuánticos. Estos altos costos limitan el acceso a esta tecnología a empresas y centros de investigación con recursos financieros suficientes.
4. Escalabilidad algoritmos cuánticos: Aunque la computación cuántica puede resolver ciertos problemas de manera mucho más eficiente que los ordenadores clásicos, no todos los algoritmos presentan mejoras significativas en un entorno cuántico. Existen tareas para las cuales los algoritmos cuánticos aún no presentan ventajas claras o incluso pueden ser menos eficientes que sus contrapartes clásicas. Por lo tanto, se requiere más investigación y desarrollo de algoritmos cuánticos escalables para aprovechar plenamente el potencial de la computación cuántica.
5. Seguridad y privacidad: Si bien la computación cuántica tiene el potencial de romper muchos de los sistemas de encriptación utilizados actualmente, también presenta desafíos en términos de seguridad y privacidad. La capacidad de procesar grandes cantidades de información de manera exponencialmente más rápida que los sistemas clásicos plantea preocupaciones sobre la protección de datos personales y comerciales sensibles, así como sobre la confiabilidad de los sistemas de seguridad actuales frente a ataques cuánticos.
Transformaciones generadas por la computación cuántica
Que la computación cuántica va a cambiar el desarrollo de procesos en multitud de campos es un hecho. Algunas tecnologías cuánticas funcionales hoy en día ya son efectivas para resolver ciertos problemas altamente complejos. La computación cuántica se perfila como un camino prometedor en diversos campos de trabajo como la simulación de sistemas químicos, el aprendizaje automático, la gestión del tráfico de las ciudades, entre otros.
Esta rama de la ciencia puede brindar unos efectos muy positivos en una gran diversidad de campos como la optimización de procesos logísticos o del tráfico de una ciudad, el incremento los ingresos de las empresas, la reducción de los costes en los procesos de producción, la creación de sistemas cuánticos aplicados a la química y biología, con el consiguiente desarrollo de nuevos métodos para el tratamiento de enfermedades. Por ejemplo, la mayoría de los sistemas químicos o físicos cuentan con grandes cantidades de elementos los cuales están interconectados generando una gran cantidad de combinaciones difíciles de simular. Los ordenadores cuánticos serán capaces de solventar estos problemas.
Principales desarrolladores actualmente
En la era de la tecnología, la competencia por el liderazgo en el campo de la computación cuántica se ha intensificado, según el informe Quantum Technology Monitor de junio de 2022 de McKinsey & Company, la Unión Europea tiene la mayor concentración de talento relacionado con la cuántica y, junto a China, es la región que más fondos públicos invierte. Pero el mercado lo lidera Norteamérica, sede de 10 de los 12 principales fabricantes, donde Estados Unidos acapara la mayor inversión en computación cuántica.
En la actualidad varios países están compitiendo por liderar en computación cuántica, Estados Unidos y China llevan la voz cantante, pero otros países, entre los que se encuentran Alemania, Francia o Reino Unido, también están realizando aportaciones importantes con un propósito muy claro: adquirir una base tecnológica sólida en esta disciplina.
Varias empresas y organizaciones entre ellas IBM, Google, Microsoft y D-Wave Systems, han logrado avances significativos en el desarrollo de sus propias máquinas cuánticas.
IBM ha sido pionera en el campo de la computación cuántica y ha construido una máquina con 65 qubits llamada IBM Q System One. Esta computadora cuántica ha sido utilizada por investigadores y científicos de todo el mundo para realizar experimentos y desarrollar algoritmos cuánticos.
La computadora cuántica, es un paradigma que va teniendo peso en la tecnología actual y poco a poco va sorteando los desafíos técnicos y limitaciones en su implementación, por lo que aún se están desarrollando nuevos modelos de ordenadores cuánticos. Ella ofrece ventajas significativas en términos de capacidad de cálculo, resolución de problemas complejos, avances científicos y seguridad en la comunicación, sin embargo también presenta desafíos importantes en términos de costo, complejidad, fragilidad y limitaciones de procesamiento para aprovechar al máximo esta tecnología.
Referencias bibliográficas
- Brooks M. (2023). El próximo salto cuántico de IBM: un ordenador de 100.000 cúbits. Recuperado el 25 de abril de 2024, de https://www.technologyreview.es//s/15413/el-proximo-salto-cuantico-de-ibm-un-ordenador-de-100000-cubits
- Claramunt Carriles S (2023). Investigación sobre la Computación Cuántica. Recuperado el 25 de abril de 2024, de http://hdl.handle.net/10045/124691
- Ionos. (2013). Quantum Computing: los superordenadores del futuro. Recuperado el 25 de abril de 2024, de https://www.ionos.es/digitalguide/hosting/cuestiones-tecnicas/quantum-computing/