La computación cuántica traerá fenómenos nuevos con normas nuevas que cambiarán casi todo lo que conocemos y creemos saber sobre la informática. Gracias a la superposición, un comportamiento físico particular, esta nueva computación puede resolver problemas que ni toda la memoria de computación convencional podría solucionar a día de hoy.

Empezando por el principio, comparemos y recordemos que la computación actual trabaja en bits. Tu ordenador sólo sabe “leer” la información en dos estados: cero o uno (encendido o apagado). Para los bits tenemos normalmente solo voltajes: aplicamos 3V en un alambre = 1; aplicamos 0.5V en el mismo alambre = 0. Y todo lo que se hace en un ordenador es transcrito a este sistema por transistores, una suerte de pequeñas cajitas que pueden almacenar energía y liberarla cuando sea necesario.


Entender a los transistores es importante para la comparación: cuando una cajita tiene electricidad almacenada interpretamos un 1, y cuando no, un 0. Se utilizan unos 6 transistores por bit y, además, hay unos circuitos llamados puertas lógicas, que miden el estado de las cajitas y guardan energía en nuevas cajitas en función de los estados que midan. Por ejemplo, la puerta OR mide si hay electricidad en dos cajitas, y únicamente si hay electricidad en alguna de ellas guarda electricidad en otra cajita.
Simplificándolo mucho para el caso que nos ocupa, estos son los elementos físicos que llevan a cabo los cálculos que nosotros mandamos hacer a través de programas y apps. Como puedes imaginar, este sistema tan “mecánico” hace que la velocidad a la que un ordenador puede procesar la información sea lineal a la cantidad de bits que posea, dependa del hardware y por defecto tenga un límite técnico.

El límite técnico podría parecer una exageración, hacer ordenadores más grandes y ya está, pero no es así. El límite se torna evidente cuando pensamos que ni todos los ordenadores clásicos del mundo son lo suficientemente inteligentes para resolver problemas de optimización cuando la cantidad de datos es demasiado grande. Y en este momento de la historia, como civilización, generamos inmensas cantidades de datos: climáticos, poblacionales, geonómicos, patrones de comportamiento... No podemos crear versiones útiles o patrones de ellos por la imposibilidad de que un ordenador clásico los asimile todos.

La diferencia que hace especial a la tecnología cuántica, y por lo que tiene un potencial tan inmensamente grande, es que sus bits trabajan también con la superposición de ambos estados: encendido y apagado. Esto pasa porque el proceso no ocurre mecánicamente, sino gracias a las normas de la física cuántica. Al aplicar la ‘lógica’ cuántica al mundo de la informática, se consiguen resolver problemas a toda velocidad, paralelamente y con multitud de resultados para cada variable.

Los bits de la computación cuántica se llaman qubits. Igual que un bit, un qubit representa una unidad básica de información, pero una unidad de información cuántica, que se rige por las normas de la física cuántica y por ello el qubit puede ser 0 o 1, o algo entre estos. De hecho, puede ser 1 y 0, paralelamente.
Por su parte, el efecto “contenedor” de los transistores y puertas lógicas se sustituyen por otros procesos más complicados, y hay varios, pero la idea es la misma: “aislar” al qubit como ocurre dentro del transistor.

Las formas de hacer un ordenador cuántico

Los ordenadores cuánticos varían entre sí dependiendo de la forma en la que se las arreglen para aislar y conducir a los qubits, pero siempre nos interesa crear lo mismo que en el transistor: conseguir que se relacionen sólo cuando nosotros queramos, y hay varios sistemas para lograrlo.
Alejandro Pozas-Kerstjens, Máster en Física Teórica por el Perimeter Institute for Theoretical Physics en Canadá y cursando un Doctorado en Teoría Cuántica de la Información en el ICFO, comenta para Gizmodo en Español:

“Están los circuitos superconductores, por ejemplo. Estos se basan en pequeños circuitos enfriados hasta temperaturas muy bajas (-273 ºC) para que las propiedades se ‘cuantizen’. Es decir, imagina por ejemplo, que puede circular por el circuito a muy bajas temperaturas 1V o 2V, pero no 1.5V. Esto permite saber a la máquina muy claramente qué es el 0 y qué es el 1".
Esta es la tecnología que más éxito está teniendo en las empresas ahora. Por ejemplo, IBM tiene un ordenador cuántico de 16 de estos circuitos superconductores que cualquiera puede controlar desde casa a través de la web.

También están iones atrapados. En este proceso el ordenador cuántico usa iones (átomos a los que se les ha quitado uno o varios electrones) como qubits en un estado determinado y los mantiene atrapados en trampas láser, para luego combinarlos según el cálculo a realizar. “El 0 y el 1 se identifican con distintas distribuciones de los electrones restantes, o con distintas posiciones del espín nuclear. Las operaciones se hacen a través de láseres que modifican las posiciones”, amplía Alejandro.
 
Por último otra muy conocida es la de espines nucleares. Estos utilizan estados de espín de moléculas enteras como qubits. El espín es una propiedad física de las partículas elementales, pero para el caso que nos ocupa basta entender que las moléculas están en un estado determinado y las operaciones se implementan cambiando su estado a uno nuevo con resonancia magnética (sí, la misma de las pruebas médicas). “Tuvo mucha presencia originalmente porque las condiciones necesarias para hacer computaciones no eran tan restrictivas como en otros casos, pero últimamente se ha visto que posiblemente no sea la mejor opción”.

Así es como funciona

Con lo dicho hasta ahora podría parecer que el ordenador hace magia por su cuenta. Sí y no. No es magia, son leyes físicas, pero sí ocurre “espontáneamente” de la misma forma que los imanes de carga opuesta se pegan entre ellos o la gravedad hace que las cosas caigan. Con la computación cuántica sólo nos hemos percatado de normas nuevas que crean fenómenos nuevos que podemos aprovechar.


Una de ellas es que los átomos y moléculas, cuando no forman parte de estructuras más grandes, se rigen bajo unas normas “distintas” a las que vemos en nuestro mundo cotidiano. Estas normas son las que dicta la física cuántica y, en concreto, la que usa la computación cuántica es la superposición.



Se basa en un fenómeno llamado dualidad de partícula-onda u onda-partícula. Hablamos de un comportamiento que se observa en partículas subatómicas, como los electrones de la carga eléctrica. Este fenómeno es tal que el comportamiento de un flujo de electrones, que son partículas, es como el de ondas bajo ciertas condiciones.


Una onda consiste en la propagación de una perturbación de alguna propiedad, implicando un transporte de energía sin transporte de materia. Por ejemplo, una onda fácil de imaginar es la acústica. Una partícula subatómica es aquella que es más pequeña que el átomo, como lo es un electrón, pero tiene una masa y posición concretas.
Por tanto, por extraño que pueda parecer, las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa. Y, de acuerdo con la ley cuántica, cuando este fenómeno se da, la partícula entra una superposición de estados, en los que se comporta como si estuviera en ambos de forma simultánea o en un punto intermedio entre los dos.

“Mientras que los objetos clásicos están en un estado u otro (pero siempre uno determinado), el estado de un sistema cuántico puede ser una superposición de varios estados posibles. Para esto se suele utilizar la analogía de la moneda: si los dos estados de una moneda fueran estar en cara o en cruz, entonces un estado cuántico sería una superposición de las dos” — Alejandro Pozas-Kerstjens.

Esto es difícil de imaginar, por supuesto. Pero Alejandro nos dio una representación muy buena para comprenderlo: “Imagina que solamente puedes conocer el objeto a través de sus sombras”. 

Fuente: https://es.gizmodo.com