¿Qué es la computación cuántica?

Representación gráfica de un cúbit en forma de esfera de Bloch: aparte de los estados 0 y 1, son posibles otros estados.

La computación cuántica es un paradigma de computación distinto al de la computación clásica. Se basa en el uso de cúbits en lugar de bits, y da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos.

Una misma tarea puede tener diferente complejidad en computación clásica y en computación cuántica, lo que ha dado lugar a una gran expectación, ya que algunos problemas intratables pasan a ser tratables.

Mientras que un computador clásico equivale a una máquina de Turing,​ un computador cuántico equivale a una máquina de Turing cuántica.

Origen de la computación cuántica

A medida que evoluciona la tecnología y se reduce el tamaño de los transistores para producir microchips cada vez más pequeños, esto se traduce en mayor velocidad de proceso. Sin embargo, no se pueden hacer los chips infinitamente pequeños, ya que hay un límite tras el cual dejan de funcionar correctamente. Cuando se llega a la escala de nanómetros, los electrones se escapan de los canales por donde deben circular. A esto se le llama efecto túnel.

Una partícula clásica, si se encuentra con un obstáculo, no puede atravesarlo y rebota. Pero con los electrones, que son partículas cuánticas y se comportan como ondas, existe la posibilidad de que una parte de ellos pueda atravesar las paredes si son los suficientemente delgadas; de esta manera la señal puede pasar por canales donde no debería circular. Por ello, el chip deja de funcionar correctamente.

En consecuencia, la computación digital tradicional no tardaría en llegar a su límite, puesto que ya se ha llegado a escalas de sólo algunas decenas de nanómetros. Surge entonces la necesidad de descubrir nuevas tecnologías y es ahí donde la computación cuántica entra en escena.

Paul Benioff

La idea de computación cuántica surge en 1981, cuando Paul Benioff expuso su teoría para aprovechar las leyes cuánticas en el entorno de la computación. En vez de trabajar a nivel de voltajes eléctricos, se trabaja a nivel de cuanto. En la computación digital, un bit sólo puede tomar dos valores: 0 o 1. En cambio, en la computación cuántica, intervienen las leyes de la mecánica cuántica, y la partícula puede estar en superposición coherente: puede ser 0, 1 y puede ser 0 y 1 a la vez (dos estados ortogonales de una partícula subatómica). Eso permite que se puedan realizar varias operaciones a la vez, según el número de cúbits.

El número de cúbits indica la cantidad de bits que pueden estar en superposición. Con los bits convencionales, si se tenía un registro de tres bits, había ocho valores posibles y el registro sólo podía tomar uno de esos valores. En cambio, si se tenía un vector de tres cúbits, la partícula puede tomar ocho valores distintos a la vez gracias a la superposición cuántica. Así, un vector de tres cúbits permitiría un total de ocho operaciones paralelas. Como cabe esperar, el número de operaciones es exponencial con respecto al número de cúbits.

Para hacerse una idea del gran avance, un computador cuántico de 30 cúbits equivaldría a un procesador convencional de 10 teraflops (10 millones de millones de operaciones en coma flotante por segundo), actualmente la supercomputadora Summit tiene la capacidad de procesar 200 petaflops.

Problemas de la computación cuántica

La paradoja cuántica del «gato de Schrödinger» vista desde el punto de vista de la interpretación de los universos múltiples. En esta interpretación cada evento involucra un punto de ramificación en el tiempo, el gato está vivo y muerto, incluso antes de que la caja se abra, pero los gatos «vivos» y «muertos» están en diferentes ramificaciones del universo, por lo que ambos son igualmente reales, pero no pueden interaccionar el uno con el otro.

Uno de los obstáculos principales para la computación cuántica es el problema de la decoherencia cuántica, que causa la pérdida del carácter unitario de los pasos del algoritmo cuántico. Los tiempos de decoherencia para los sistemas candidatos, en particular el tiempo de relajación transversal está típicamente entre nanosegundos y segundos, a temperaturas bajas. Las tasas de error son típicamente proporcionales a la razón entre tiempo de operación frente a tiempo de decoherencia, de forma que cualquier operación debe ser completada en un tiempo mucho más corto que el tiempo de decoherencia. Si la tasa de error es lo bastante baja, es posible usar eficazmente la corrección de errores cuántica, con lo cual sí serían posibles tiempos de cálculo más largos que el tiempo de decoherencia y, en principio, arbitrariamente largos.

Otro de los problemas principales es la escalabilidad, especialmente teniendo en cuenta el considerable incremento en cúbits necesarios para cualquier cálculo que implica la corrección de errores. Para ninguno de los sistemas actualmente propuestos es trivial un diseño capaz de manejar un número lo bastante alto de cúbits para resolver problemas computacionalmente interesantes hoy en día.

Hardware para computación cuántica

Presentado este último 5 de marzo en la reunión de la American Physical Society en Los Ángeles un nuevo procesador cuántico de 72 cúbits (bits cuánticos) llamado Bristlecone, el cual es el más grande jamás fabricado.

Aún no se ha resuelto el problema de qué hardware sería el ideal para la computación cuántica. Se ha definido una serie de condiciones que debe cumplir, conocida como la lista de Di Vincenzo, y hay varios candidatos actualmente. Ingenieros de Google trabajan en un procesador cuántico llamado «Bristlecone«.

Condiciones a cumplir:
1. El sistema ha de poder inicializarse, esto es, llevarse a un estado de partida conocido y controlado.
2. Ha de ser posible hacer manipulaciones a los cúbits de forma controlada, con un conjunto de operaciones que forme un conjunto universal de puertas lógicas (para poder reproducir cualquier otra puerta lógica posible).
3. El sistema ha de mantener su coherencia cuántica a lo largo del experimento.
4. Ha de poder leerse el estado final del sistema, tras el cálculo.
5. El sistema ha de ser escalable: tiene que haber una forma definida de aumentar el número de cúbits, para tratar con problemas de mayor costo computacional.

Cronología – Últimos 10 años

2019 – Primer ordenador cuántico para uso comercial

En el CES de 2019, IBM presentó el IBM Q System One, el primer ordenador cuántico para uso comercial. En el mismo se combina tanto la computación cuántica como «tradicional» para ofrecer un sistema de 20 cúbits para su utilización en investigaciones y grandes cálculos.

2017 – IBM

En mayo de 2017, IBM presenta un nuevo procesador cuántico comercial, el más potente hasta la fecha​ de 17 cúbits.

2016 – Intel

Intel trabaja en el dominio del silicio para el primer ordenador cuántico.

2013 – Computadora cuántica más rápida que un computador convencional

En abril la empresa D-Wave Systems lanza el nuevo computador cuántico D-Wave Two el cual es 500.000 veces superior a su antecesor D-Wave One, con un poder de cálculo de 439 cúbits. Realmente el D-Wave Two tuvo graves problemas finalmente, dado que no tenía las mejoras de procesamiento teóricas frente al D-Wave One.​


2012 – Avances en chips cuánticos

IBM anuncia que ha creado un chip lo suficientemente estable como para permitir que la informática cuántica llegue a hogares y empresas. Se estima que en unos 10 o 12 años se puedan estar comercializando los primeros sistemas cuánticos.

2011 – Primera computadora cuántica vendida

La primera computadora cuántica comercial es vendida por la empresa D-Wave Systems, fundada en 1999, a Lockheed Martin por 10 millones de dólares.


2009 – Procesador cuántico de estado sólido

El equipo de investigadores estadounidense dirigido por el profesor Robert Schoelkopf, de la Universidad de Yale, que ya en 2007 había desarrollado el Bus cuántico, crea ahora el primer procesador cuántico de estado sólido, mecanismo que se asemeja y funciona de forma similar a un microprocesador convencional, aunque con la capacidad de realizar sólo unas pocas tareas muy simples, como operaciones aritméticas o búsquedas de datos.

Para la comunicación en el dispositivo, esta se realiza mediante fotones que se desplazan sobre el bus cuántico, circuito electrónico que almacena y mide fotones de microondas, aumentando el tamaño de un átomo artificialmente.

Le llegó el momento al tema del que muchos hablan, pero pocos saben (o sabían) de que realmente se trata: cúbits y cuántico ya no es ficción. Con estos avances estamos cada vez más cerca de construir un verdadero cerebro humano, en capacidades y tamaño … ahora debemos tener claro el panorama de lo que implica avanzar en lo cuántico y de los actuales obstáculos. ¿Y los avances en el alma/espíritu/sentimientos? También son parte no explorada del cerebro.