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¿Qué es la computación cuántica?
La computación cuántica es un campo emergente de la informática de vanguardia que aprovecha las cualidades únicas de la mecánica cuántica para resolver problemas que van más allá de la capacidad incluso de las computadoras clásicas más potentes.
El campo de la computación cuántica comprende una variedad de disciplinas, entre ellas el hardware cuántico y los algoritmos cuánticos. Aunque todavía se encuentra en desarrollo, la tecnología cuántica pronto podrá resolver problemas complejos que las supercomputadoras no pueden resolver o no pueden hacerlo con la suficiente rapidez.
Aprovechando la física cuántica, las computadoras cuánticas plenamente desarrolladas podrían procesar problemas enormemente complejos a órdenes de magnitud más rápido que las máquinas modernas. Para una computadora cuántica, los desafíos que a una computadora clásica le llevarían miles de años resolver podrían reducirse a una cuestión de minutos.
El estudio de las partículas subatómicas, también conocido como mecánica cuántica, revela principios naturales únicos y fundamentales. Las computadoras cuánticas aprovechan estos fenómenos fundamentales para realizar cálculos probabilísticos y mecánico-cuánticos.
Qubits
Mientras que las computadoras clásicas dependen de bits binarios (ceros y unos) para almacenar y procesar datos, las computadoras cuánticas pueden codificar incluso más datos a la vez utilizando bits cuánticos, o qubits , en superposición.
Un qubit puede comportarse como un bit y almacenar un cero o un uno, pero también puede ser una combinación ponderada de cero y uno al mismo tiempo. Cuando se combinan, los qubits en superposición pueden escalar exponencialmente. Dos qubits pueden calcular con cuatro datos, tres pueden calcular con ocho y cuatro pueden calcular con dieciséis.
Sin embargo, cada cúbit solo puede generar un único bit de información al final del cálculo. Los algoritmos cuánticos funcionan almacenando y manipulando información de una manera inaccesible para las computadoras clásicas, lo que puede proporcionar velocidades de procesamiento más rápidas para ciertos problemas.
A medida que el desarrollo de chips de silicio y superconductores ha ido aumentando a lo largo de los años, es muy posible que pronto lleguemos a un límite material en la capacidad de procesamiento de las computadoras clásicas. La computación cuántica podría proporcionar una vía para resolver ciertos problemas importantes.
Con instituciones líderes como IBM, Microsoft, Google y Amazon uniéndose a nuevas empresas ansiosas como Rigetti e Ionq para invertir fuertemente en esta nueva y emocionante tecnología, se estima que la computación cuántica se convertirá en una industria de USD 1,3 billones para 2035.
Entonces, ¿qué son los qubits?
En general, los qubits se crean manipulando y midiendo partículas cuánticas (los bloques de construcción más pequeños conocidos del universo físico), como fotones, electrones, iones atrapados y átomos. Los qubits también pueden diseñar sistemas que se comporten como una partícula cuántica, como en los circuitos superconductores.
Para manipular dichas partículas, los qubits deben mantenerse extremadamente fríos para minimizar el ruido y evitar que proporcionen resultados inexactos o errores resultantes de una decoherencia involuntaria.
En la actualidad, se utilizan muchos tipos distintos de cúbits en la computación cuántica, y algunos son más adecuados para distintos tipos de tareas.
Tipos de cúbits
Algunos de los tipos de cúbits más comunes que se utilizan son los siguientes:
- Cubits superconductores: fabricados con materiales superconductores que funcionan a temperaturas extremadamente bajas, estos cubits son los preferidos por su velocidad a la hora de realizar cálculos y su control preciso.
- Cúbits de iones atrapados: las partículas de iones atrapados también se pueden utilizar como cúbits y se destacan por sus largos tiempos de coherencia y mediciones de alta fidelidad.
- Puntos cuánticos: Los puntos cuánticos son pequeños semiconductores que capturan un solo electrón y lo utilizan como un qubit, lo que ofrece un potencial prometedor de escalabilidad y compatibilidad con la tecnología de semiconductores existente.
- Fotones: Los fotones son partículas de luz individuales que se utilizan para enviar información cuántica a largas distancias mediante cables de fibra óptica y actualmente se utilizan en la comunicación cuántica y la criptografía cuántica .
- Átomos neutros: Los átomos neutros que se encuentran comúnmente y que se cargan con láseres son muy adecuados para escalar y realizar operaciones.
Al procesar un problema complejo, como factorizar números grandes, los bits clásicos se unen al contener grandes cantidades de información. Los bits cuánticos se comportan de manera diferente. Debido a que los cúbits pueden contener una superposición, una computadora cuántica que usa cúbits puede abordar el problema de maneras diferentes a las computadoras clásicas.
¿Cómo funcionan las computadoras cuánticas?
Una diferencia fundamental entre los ordenadores clásicos y los cuánticos es que los primeros utilizan cúbits en lugar de bits para almacenar exponencialmente más información. Si bien la computación cuántica utiliza código binario, los cúbits procesan la información de manera diferente a los ordenadores clásicos. Pero ¿qué son los cúbits y de dónde provienen?
Cuatro principios clave de la mecánica cuántica
Para comprender la computación cuántica es necesario comprender estos cuatro principios clave de la mecánica cuántica:
- Superposición: La superposición es el estado en el que una partícula o sistema cuántico puede representar no sólo una posibilidad, sino una combinación de múltiples posibilidades.
- Entrelazamiento: El entrelazamiento es el proceso en el cual múltiples partículas cuánticas se correlacionan más fuertemente de lo que permite la probabilidad regular.
- Decoherencia: La decoherencia es el proceso en el cual las partículas y los sistemas cuánticos pueden decaer, colapsar o cambiar, convirtiéndose en estados únicos medibles mediante la física clásica.
- Interferencia: La interferencia es el fenómeno en el cual los estados cuánticos entrelazados pueden interactuar y producir probabilidades más o menos probables.
En general, los qubits se crean manipulando y midiendo partículas cuánticas (los bloques de construcción más pequeños conocidos del universo físico), como fotones, electrones, iones atrapados y átomos. Los qubits también pueden diseñar sistemas que se comporten como una partícula cuántica, como en los circuitos superconductores.
Computación clásica versus computación cuántica
La computación cuántica se basa en los principios de la mecánica cuántica, que describen cómo las partículas subatómicas se comportan de manera diferente a la física de nivel macro. Pero como la mecánica cuántica proporciona las leyes fundamentales para todo nuestro universo, a nivel subatómico, cada sistema es un sistema cuántico.
Por esta razón, podemos decir que, si bien los ordenadores convencionales también están construidos sobre sistemas cuánticos, no logran aprovechar al máximo las propiedades de la mecánica cuántica durante sus cálculos. Los ordenadores cuánticos aprovechan mejor la mecánica cuántica para realizar cálculos que ni siquiera los ordenadores de alto rendimiento pueden.
¿Qué es una computadora clásica?
Desde las anticuadas sumadoras de tarjetas perforadas hasta las supercomputadoras modernas, las computadoras tradicionales (o clásicas) funcionan básicamente de la misma manera. Estas máquinas generalmente realizan cálculos secuencialmente y almacenan datos mediante bits binarios de información. Cada bit representa un 0 o un 1.
Cuando se combinan en código binario y se manipulan mediante operaciones lógicas, podemos utilizar computadoras para crear todo, desde sistemas operativos simples hasta los cálculos de supercomputación más avanzados.
¿Qué es una computadora cuántica?
Los ordenadores cuánticos funcionan de forma similar a los ordenadores clásicos, pero en lugar de bits, la computación cuántica utiliza qubits. Estos qubits son sistemas especiales que actúan como partículas subatómicas hechas de átomos, circuitos eléctricos superconductores u otros sistemas que contienen datos en un conjunto de amplitudes aplicadas tanto a 0 como a 1, en lugar de solo a dos estados (0 o 1). Este complicado concepto mecánico cuántico se denomina superposición. A través de un proceso llamado entrelazamiento cuántico, esas amplitudes pueden aplicarse a múltiples qubits simultáneamente.
La diferencia entre la computación cuántica y la clásica
Computación clásica
- Utilizado por computadoras y dispositivos comunes y multipropósito.
- Almacena información en bits con un número discreto de estados posibles, 0 o 1.
- Procesa datos de forma lógica y secuencial.
Computación cuántica
- Utilizado por hardware cuántico especializado y experimental basado en mecánica cuántica.
- Almacena información en qubits como 0, 1 o una superposición de 0 y 1.
- Procesa datos con lógica cuántica en instancias paralelas, basándose en la interferencia.
¿Qué es un chip cuántico?
Los ordenadores de uso cotidiano, como los portátiles, son ordenadores clásicos. Almacenan y procesan información en forma de números binarios o bits. Un solo bit puede representar 0 o 1.
En cambio, la unidad básica de un chip cuántico es un cúbit. Un chip cuántico está formado por muchos cúbits, que suelen ser partículas subatómicas, como electrones o fotones, controladas y manipuladas por campos eléctricos y magnéticos especialmente diseñados (conocidos como señales de control).
A diferencia de un bit, un cúbit se puede colocar en un estado de 0, 1 o una combinación de ambos, también conocido como “estado de superposición”. Esta propiedad distintiva permite a los procesadores cuánticos almacenar y procesar conjuntos de datos extremadamente grandes exponencialmente más rápido que incluso la computadora clásica más poderosa.
Existen diferentes formas de crear cúbits: se pueden utilizar dispositivos superconductores, semiconductores, fotónica (luz) u otros métodos. Cada método tiene sus ventajas y desventajas.
Empresas como IBM , Google y QueRa tienen hojas de ruta para ampliar drásticamente los procesadores cuánticos para 2030.
Los actores de la industria que utilizan semiconductores son Intel y empresas australianas como Diraq y SQC . Entre los principales desarrolladores de computadoras cuánticas fotónicas se encuentran PsiQuantum y Xanadu .
Qubits: calidad versus cantidad
En realidad, la cantidad de qubits que tiene un chip cuántico es menos importante que la calidad de los qubits.
Un chip cuántico compuesto por miles de qubits de baja calidad no será capaz de realizar ninguna tarea computacional útil.
Entonces, ¿qué es lo que hace que un qubit sea de calidad?
Los cúbits son muy sensibles a las perturbaciones no deseadas, también conocidas como errores o ruido. Este ruido puede provenir de muchas fuentes, incluidas imperfecciones en el proceso de fabricación, problemas con la señal de control, cambios de temperatura o incluso una simple interacción con el entorno del cúbit.
La propensión a errores reduce la fiabilidad de un cúbit, lo que se conoce como fidelidad. Para que un chip cuántico se mantenga estable durante el tiempo suficiente para realizar tareas computacionales complejas, necesita cúbits de alta fidelidad.
Cuando los investigadores comparan el rendimiento de diferentes chips cuánticos, la fidelidad del qubit es uno de los parámetros cruciales que utilizan.
¿Para qué serán útiles los ordenadores cuánticos?
Un procesador cuántico completamente funcional sería capaz de resolver problemas extremadamente complejos, lo que podría tener un impacto revolucionario en muchas áreas de la investigación , la tecnología y la economía.
Las computadoras cuánticas podrían ayudarnos a descubrir nuevos medicamentos y avanzar en la investigación médica al encontrar nuevas conexiones en datos de ensayos clínicos o genéticos para los cuales las computadoras actuales no tienen suficiente poder de procesamiento.
También podrían mejorar enormemente la seguridad de varios sistemas que utilizan algoritmos de inteligencia artificial , como los bancarios, los objetivos militares y los vehículos autónomos, por nombrar algunos.
Para lograr todo esto, primero debemos alcanzar un hito conocido como supremacía cuántica, donde un procesador cuántico resuelve un problema que a una computadora clásica le llevaría una cantidad de tiempo poco práctica.
A fines del año pasado, el chip cuántico Willow de Google finalmente demostró la supremacía cuántica para una tarea artificial: un problema computacional diseñado para ser difícil para las supercomputadoras clásicas pero fácil para los procesadores cuánticos debido a su forma particular de trabajar.
Aunque no resolvió ningún problema práctico del mundo real, sigue siendo un logro notable y un paso importante en la dirección correcta que ha requerido años de investigación y desarrollo. Después de todo, para correr, primero hay que aprender a caminar.
¿Qué nos depara el horizonte para 2025 y más allá?
En los próximos años, los chips cuánticos seguirán creciendo. Es importante destacar que la próxima generación de procesadores cuánticos estará respaldada por cúbits lógicos, capaces de abordar tareas cada vez más útiles.
Si bien el hardware cuántico (es decir, los procesadores) ha avanzado a un ritmo rápido, tampoco podemos pasar por alto una enorme cantidad de investigación y desarrollo en el campo del software y los algoritmos cuánticos.
Mediante simulaciones cuánticas en computadoras normales, los investigadores han estado desarrollando y probando varios algoritmos cuánticos. Esto permitirá que la computación cuántica esté lista para aplicaciones útiles cuando el hardware cuántico se ponga al día.
Construir una computadora cuántica a gran escala es una tarea ardua. Requerirá avances simultáneos en muchos frentes, como aumentar la cantidad de cúbits en un chip, mejorar la fidelidad de los cúbits, mejorar la corrección de errores, desarrollar software cuántico, desarrollar algoritmos cuánticos y otros subcampos de la computación cuántica.
Después de años de notable trabajo fundacional, podemos esperar que 2025 traiga nuevos avances en todo lo mencionado anteriormente.
Majorana 1: Los ordenadores cuánticos, más cerca que nunca
Microsoft acaba de presentar Majorana 1, su chip basado en una nueva arquitectura de núcleo topológico que supone un gran avance en el campo de la computación cuántica. Este desarrollo promete acelerar la aparición de ordenadores cuánticos comerciales capaces de resolver problemas complejos en cuestión de años, reduciendo la previsión de décadas.
Resumimos sus principales características, posibles casos de uso y su impacto en la industria, la ciencia y la sociedad.
Majorana 1 Microsoft
Majorana 1 es el primer chip cuántico del mundo impulsado por un topoconductor, un material innovador que puede observar y controlar las partículas Majorana para producir qubits más confiables y escalables, que son los componentes básicos de las computadoras cuánticas.