¿Qué es un computador cuántico? ¿Qué ventajas y aplicaciones tiene?

Seguro que muchos de vosotros habréis oído hablar del computador cuántico como el futuro de la informática y la tecnología. Sin embargo, sigue siendo difícil explicar de manera sencilla los conceptos detrás de ella y más complejo aún hablar de cómo se pueden hacer realidad los computadores cuánticos y qué aplicaciones tienen.

¿Qué es un computador cuántico?

En pocas palabras, se trata de un modelo que nos dice cómo construir un computador, solo que dicho dispositivo no tendrá nada que ver a los ordenadores conocidos, y nada de lo que se ha desarrollado para ellos (desde algoritmos hasta lenguajes de programación o la lógica) tiene aplicación.

Nuestros bits son las unidades mínimas de información con valor «0» o «1» con idéntica probabilidad (y, a nivel electrónico, los dos valores de un bit pueden estar representados por dos niveles de carga eléctrica almacenados en un condensador). Los qubits, por el contrario, son un concepto abstracto y que no lleva asociado un sistema físico concreto per se. Se define como un sistema cuántico con dos estados propios y que puede ser manipulado arbitrariamente.

La idea es que las computadoras cuánticas pueden usar ciertos fenómenos de la mecánica cuántica, como la superposición y el entrelazamiento, para realizar operaciones sobre datos. ¿Qué son la superposición y el entrelazamiento?

  • La superposición cuántica es un principio fundamental de la mecánica cuántica que afirma que un sistema físico (por ejemplo, un electrón) existe en todos sus posibles estados teóricos en cierta medida de forma simultánea. Es en el momento de observarlo (medirlo) cuando se define el estado concreto.
  • El entrelazamiento cuántico es algo más complicado de explicar. Se trata de un fenómeno cuántico que no tiene equivalente clásico. Este fenómeno explica que los estados cuánticos de dos o más objetos se deben describir mediante un estado único que involucra a todos los objetos del sistema, aun cuando los objetos estén separados espacialmente.

En pocas palabras, la superposición se podría entender como que un qubit (bit cuántico) no tiene valor 1 o 0 (como un bit normal), sino que tiene una probabilidad de ser 1 en un determinado porcentaje, y 0 en su complementario (por ejemplo, 1 en un 75% y 0 en un 25%). En el momento de medir ese valor, se fija en 1, en este caso, y se pierden las probabilidades. Es decir, si se mide, se modifica.

El entrelazamiento se explica como que el estado de cada qubit afecta al resto. Un ejemplo sencillo lo explican en Genbeta. Si disponemos una mesa de billar con bolas cuánticas que se muevan sobre ella, si tenemos solo una hemos de medir dos cosas: su movimiento longitudinal y su movimiento transversal (nos dejamos de medir la velocidad del movimiento en este ejemplo, por simplificar).

Si introducimos otra bola cuántica, las medidas son mayores: movimiento transversal, movimiento longitudinal, y los correspondientes movimientos en relación con la otra bola. Si introducimos otra bola, el número de mediciones crece de manera exponencial.

Este crecimiento exponencial de operaciones es una desventaja (porque se necesitan cada vez más recursos, el doble por cada bola o qubit), pero una ventaja a la vez. La ventaja es, simplificando, que es posible aprovechar los estados entrelazados de las partículas para obtener más potencia de cálculo (mucha más potencia que con cualquier ordenador «clásico»).

¿Qué aplicaciones tiene el computador cuántico?

Todo lo que rodea al computador cuántico es complejo y difícil de explicar en un artículo tan reducido como éste. Por simplificar, de nuevo, diremos que existen dos algoritmos muy relevantes que conocer: el temple cuántico y el algoritmo de Shor.

El primero permite encontrar valores mínimos de funciones, algo con aplicación directa en inteligencia artificial y aprendizaje automático. El algoritmo de Shor, por otro lado, sirve para descomponer un número en sus factores primos de manera mucho más eficiente que en el mejor y más potente ordenador convencional imaginable. La aplicación más obvia de esto es, como podemos imaginar, dejar obsoletos los sistemas de cifrado actuales.

Las aplicaciones del computador cuántico son, de momento, teóricas. O, mejor dicho, son aplicaciones que se cree que se podrían desarrollar a partir del momento en que sea viable construir ordenadores cuánticos lo suficientemente potentes (cosa que, por otro lado, es complicado porque existen muchas barreras físicas que superar).

El algoritmo del temple cuántico es ideal para problemas de aprendizaje automático, aunque no vamos a desarrollar las razones concretas. Al ser útil para las tareas de aprendizaje automático, sus aplicaciones en medicina (búsqueda de tratamientos), química (estudiar moléculas complejas, criptografía, la implementación del algoritmo de Grover (un algoritmo de búsqueda ultrarrápido) …

En general, las simulaciones complejas serían la aplicación ideal del computador cuántico, pero, como ya hemos dicho, falta todavía mucho recorrido para hacer realidad ordenadores cuánticos asequibles para aplicaciones comerciales. No obstante, son el futuro. Precisamente, hace pocos días, la revista Nature publicaba un artículo en el que Google sostenía haber alcanzado la supremacía cuántica (esta se alcanzaría el día en que un ordenador cuántico completase una operación que a un ordenador convencional le llevaría miles de años), artículo que ha sido desmentido por IBM. Como decimos, tenemos computación cuántica para rato.