Serie de avances en computación cuántica
Un ordenador común, ahora conocido como ordenador clásico o tradicional, funciona con el concepto básico de 0 y 1 (ceros y unos). Cuando le pedimos al ordenador que realice una tarea, por ejemplo, un cálculo matemático, reservar una cita o cualquier otra cosa relacionada con la vida cotidiana, esta tarea se convierte (o traduce) en una secuencia de 0 y 1 (que se denomina entrada). Esta entrada es procesada por un algoritmo (definido como un conjunto de reglas que se siguen para completar una tarea en un ordenador). Tras este procesamiento, se devuelve una nueva secuencia de 0 y 1 (denominada salida), que codifica el resultado esperado y se traduce de nuevo a información más sencilla y comprensible para el usuario como una "respuesta" a lo que el usuario quería que hiciera el ordenador. Resulta fascinante que, por muy inteligente o ingenioso que parezca el algoritmo y por muy difícil que sea la tarea, un algoritmo informático se limita a una sola cosa: manipular secuencias de bits, donde cada bit es 0 o 1. Esta manipulación se produce en el ordenador (a nivel de software) y, a nivel de máquina, se representa mediante circuitos eléctricos (en la placa base). En términos de hardware, cuando la corriente eléctrica circula por estos circuitos, estos se cierran, y se abren cuando no hay corriente.
Computadora clásica Vs Quantum
Por lo tanto, en las computadoras clásicas, un bit es una sola unidad de información que puede existir en dos estados posibles: 0 o 1. Sin embargo, en las computadoras cuánticas , se suelen utilizar bits cuánticos (también llamados cúbits). Estos son sistemas cuánticos con dos estados; sin embargo, a diferencia del bit convencional (almacenado como 0 o 1), los cúbits pueden almacenar mucha más información y existir en cualquier combinación de estos valores. Para explicarlo mejor, un cúbit puede imaginarse como una esfera, donde un cúbit puede ser cualquier punto de la esfera. Se puede decir que la computación cuántica aprovecha la capacidad de las partículas subatómicas para existir en más de un estado simultáneamente, siendo estos estados mutuamente excluyentes. Por otro lado, un bit clásico solo puede estar en dos estados, por ejemplo, en los extremos de los dos polos de la esfera. En la vida cotidiana no podemos percibir esta superposición, ya que al observar un sistema en su totalidad, estas superposiciones desaparecen, y esta es la razón por la que su comprensión resulta compleja.
Esto significa que las computadoras cuánticas, al usar cúbits, pueden almacenar una enorme cantidad de información consumiendo menos energía que una computadora clásica, lo que permite realizar operaciones y cálculos mucho más rápido. Una computadora clásica, al aceptar un 0 o un 1, puede tener cuatro estados posibles (00, 01, 10 u 11), pero solo uno está representado a la vez. En cambio, una computadora cuántica trabaja con partículas que pueden estar en superposición, lo que permite que dos cúbits representen exactamente los mismos cuatro estados simultáneamente gracias a la propiedad de superposición, liberando así a las computadoras de la limitación binaria. Esto equivale a cuatro computadoras funcionando simultáneamente, y al sumar estos cúbits, la potencia de la computadora cuántica crece exponencialmente. Las computadoras cuánticas también aprovechan otra propiedad de la física cuántica llamada "entrelazamiento cuántico", definida por Albert Einstein. El entrelazamiento es una propiedad que permite que las partículas cuánticas se conecten y comuniquen independientemente de su ubicación en el universo , de modo que cambiar el estado de una puede afectar instantáneamente a la otra. Las capacidades duales de "superposición" y "entrelazamiento" son, en principio, muy poderosas. Por lo tanto, lo que una computadora cuántica puede lograr es inimaginable en comparación con las computadoras clásicas. Todo esto suena muy emocionante y sencillo; sin embargo, existe un problema en este escenario. Si una computadora cuántica toma cúbits (bits superpuestos) como entrada, su salida también estará en un estado cuántico, es decir, una salida con bits superpuestos que pueden cambiar continuamente dependiendo de su estado. Este tipo de salida no nos permite recibir toda la información, por lo que el mayor desafío en el campo de la computación cuántica es encontrar maneras de obtener la mayor cantidad de información posible de esta salida cuántica.
¡La computadora cuántica estará aquí!
Las computadoras cuánticas pueden definirse como máquinas poderosas, basadas en los principios de la mecánica cuántica, que adoptan un enfoque completamente nuevo para el procesamiento de información. Buscan explorar leyes complejas de la naturaleza que siempre han existido, pero que generalmente han permanecido ocultas. Si se logran explorar estos fenómenos naturales, la computación cuántica podrá ejecutar nuevos tipos de algoritmos para procesar información, lo que podría conducir a avances innovadores en la ciencia de los materiales, el descubrimiento de fármacos, la robótica y la inteligencia artificial. La idea de una computadora cuántica fue propuesta por el físico teórico estadounidense Richard Feynman en 1982. Hoy en día, empresas tecnológicas (como IBM, Microsoft, Google e Intel) e instituciones académicas (como el MIT y la Universidad de Princeton) trabajan en prototipos de computadoras cuánticas para crear una computadora cuántica de uso generalizado. International Business Machines Corp. (IBM) ha declarado recientemente que sus científicos han construido una potente plataforma de computación cuántica que ya está disponible, pero señala que no es suficiente para realizar la mayoría de las tareas. Se dice que un prototipo de 50 cúbits, actualmente en desarrollo, puede resolver muchos problemas que hoy en día solucionan las computadoras clásicas, y que en el futuro las computadoras de 50 a 100 cúbits cubrirían en gran medida esta brecha; es decir, una computadora cuántica con tan solo unos cientos de cúbits podría realizar más cálculos simultáneamente que átomos en el universo conocido . Siendo realistas, el camino hacia una computadora cuántica que supere a una clásica en tareas complejas está plagado de dificultades y desafíos. Recientemente, Intel declaró que su nueva computadora cuántica de 49 cúbits representa un paso hacia esta "supremacía cuántica", un avance significativo para la compañía, que había presentado un sistema de 17 cúbits hace apenas dos meses. Su prioridad es seguir expandiendo el proyecto, partiendo de la base de que aumentar el número de cúbits es clave para crear computadoras cuánticas que ofrezcan resultados reales.
El material es clave para construir una computadora cuántica
El silicio ha sido un material fundamental en la computación durante décadas, ya que sus capacidades clave lo hacen idóneo para la computación general (o clásica). Sin embargo, en lo que respecta a la computación cuántica, las soluciones basadas en silicio no se han adoptado principalmente por dos razones: primero, la dificultad para controlar los cúbits fabricados en silicio; y segundo, la incertidumbre sobre si los cúbits de silicio podrían escalar tan bien como otras soluciones. En un avance significativo, Intel ha desarrollado recientemente un nuevo tipo de cúbit, conocido como "cúbit de espín", producido en silicio convencional. Los cúbits de espín se asemejan mucho a la electrónica de semiconductores y ofrecen su poder cuántico aprovechando el espín de un solo electrón en un dispositivo de silicio y controlando su movimiento con pequeños pulsos de microondas. Dos ventajas principales que impulsaron a Intel a tomar esta dirección son: primero, que Intel ya cuenta con una importante inversión en la industria del silicio y, por lo tanto, posee la experiencia necesaria; y segundo, que los cúbits de silicio son más ventajosos porque son más pequeños que los cúbits convencionales y se espera que mantengan la coherencia durante un período de tiempo más prolongado. Esto es de vital importancia cuando se necesita ampliar los sistemas de computación cuántica (por ejemplo, de 100 a 200 cúbits). Intel está probando este prototipo y espera producir chips con miles de pequeñas matrices de cúbits. Esta producción a gran escala puede ser muy beneficiosa para ampliar las computadoras cuánticas y suponer un verdadero cambio radical.
En una investigación reciente publicada en Science , un equipo de la Universidad de Maryland, EE. UU., ha desarrollado un nuevo diseño de cristal fotónico (un diseño de cristal implementado en un chip fotónico) que, según afirman, facilitará el acceso a las computadoras cuánticas² . Estos fotones representan la cantidad más pequeña de luz conocida, y estos cristales se perforaron con agujeros que provocan la interacción de la luz. Diferentes patrones de agujeros modifican la forma en que la luz se curva y rebota a través del cristal; en este caso, se crearon miles de agujeros triangulares. Este uso de fotones individuales es crucial para la creación de computadoras cuánticas, ya que estas podrán calcular grandes cantidades de números y reacciones químicas que las computadoras actuales no pueden realizar. El diseño del chip permite la transferencia de fotones entre computadoras cuánticas sin pérdidas. Esta pérdida ha sido un gran desafío para las computadoras cuánticas, y este chip resuelve este problema, permitiendo una transmisión eficiente de información cuántica entre sistemas.
Futuro
Las computadoras cuánticas prometen realizar cálculos mucho más allá de cualquier supercomputadora convencional. Tienen el potencial de revolucionar el descubrimiento de nuevos materiales al permitir simular el comportamiento de la materia hasta el nivel atómico. También genera esperanza para la inteligencia artificial y la robótica al procesar datos de manera más rápida y eficiente. Cualquiera de las principales organizaciones podría llevar a cabo la entrega de un sistema de computación cuántica comercialmente viable en los próximos años, ya que esta investigación aún tiene un final abierto y es un juego justo para todos. Se esperan anuncios importantes en los próximos cinco a siete años e idealmente hablando con la serie de avances que se están realizando, los problemas de ingeniería deberían abordarse y una computadora cuántica de 1 millón o más de qubits debería ser una realidad.
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Fuentes)
1. Castelvecchi D. 2018. El silicio gana terreno en la carrera de la computación cuántica. Nature. 553(7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. Una interfaz de óptica cuántica topológica. Science. 359(6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
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