El secreto de la potencia de un ordenador cuántico reside en su capacidad para generar y manipular bits cuánticos, o qubits.
¿Qué es un qubit?
Los ordenadores de hoy en día utilizan bits, un flujo de pulsos eléctricos u ópticos que representan 1s o 0s. Todo, desde los tweets y los correos electrónicos hasta las canciones de iTunes y los vídeos de YouTube, son esencialmente largas cadenas de estos dígitos binarios.
Los ordenadores cuánticos, en cambio, utilizan qubits, que suelen ser partículas subatómicas como electrones o fotones. Generar y gestionar qubits es un reto científico y de ingeniería. Algunas empresas, como IBM, Google y Rigetti Computing, utilizan circuitos superconductores enfriados a temperaturas más frías que el espacio profundo. Otras, como IonQ, atrapan átomos individuales en campos electromagnéticos sobre un chip de silicio en cámaras de ultravacío. En ambos casos, el objetivo es aislar los qubits en un estado cuántico controlado.
Los qubits tienen algunas propiedades cuánticas peculiares que significan que un grupo conectado de ellos puede proporcionar mucha más potencia de procesamiento que el mismo número de bits binarios. Una de esas propiedades se conoce como superposición y otra se llama entrelazamiento.
¿Qué es la superposición?
Los qubits pueden representar numerosas combinaciones posibles de 1 y 0 al mismo tiempo. Esta capacidad de estar simultáneamente en múltiples estados se llama superposición. Para poner los qubits en superposición, los investigadores los manipulan utilizando láseres de precisión o haces de microondas.
Gracias a este fenómeno contraintuitivo, un ordenador cuántico con varios qubits en superposición puede calcular un gran número de resultados potenciales simultáneamente. El resultado final de un cálculo sólo se conoce cuando se miden los qubits, lo que hace que su estado cuántico «colapse» inmediatamente a 1 o 0.
¿Qué es el entrelazamiento?
Los investigadores pueden generar pares de qubits que están «enredados», lo que significa que los dos miembros de un par existen en un único estado cuántico. Si se cambia el estado de uno de los qubits, cambiará instantáneamente el estado del otro de forma predecible. Esto sucede incluso si están separados por distancias muy largas.
Nadie sabe realmente cómo o por qué funciona el entrelazamiento. Incluso desconcertó a Einstein, que lo describió célebremente como «acción espeluznante a distancia». Pero es la clave de la potencia de los ordenadores cuánticos. En un ordenador convencional, duplicar el número de bits duplica su capacidad de procesamiento. Pero gracias al entrelazamiento, la adición de qubits adicionales a una máquina cuántica produce un aumento exponencial de su capacidad de procesamiento de números.
Los ordenadores cuánticos aprovechan los qubits entrelazados en una especie de cadena cuántica para hacer su magia. La capacidad de estas máquinas para acelerar los cálculos utilizando algoritmos cuánticos especialmente diseñados es la razón por la que se habla tanto de su potencial.
Estas son las buenas noticias. La mala es que las máquinas cuánticas son mucho más propensas a los errores que los ordenadores clásicos debido a la decoherencia.
¿Qué es la decoherencia?
La interacción de los qubits con su entorno de forma que hace que su comportamiento cuántico decaiga y finalmente desaparezca se llama decoherencia. Su estado cuántico es extremadamente frágil. La más mínima vibración o cambio de temperatura -perturbaciones conocidas como «ruido» en la jerga cuántica- puede hacer que salgan de la superposición antes de que su trabajo se haya realizado correctamente. Por eso los investigadores hacen todo lo posible para proteger los qubits del mundo exterior en esos frigoríficos superenfriados y cámaras de vacío.
Pero a pesar de sus esfuerzos, el ruido sigue provocando muchos errores en los cálculos. Los algoritmos cuánticos inteligentes pueden compensar algunos de ellos, y añadir más qubits también ayuda. Sin embargo, es probable que se necesiten miles de qubits estándar para crear uno único y altamente fiable, conocido como qubit «lógico». Esto mermará mucho la capacidad de cálculo de un ordenador cuántico.
Y ahí está el problema: hasta ahora, los investigadores no han sido capaces de generar más de 128 qubits estándar (véase nuestro contador de qubits aquí). Así que aún faltan muchos años para conseguir ordenadores cuánticos que sean ampliamente útiles.
Eso no ha hecho mella en las esperanzas de los pioneros de ser los primeros en demostrar la «supremacía cuántica».»
¿Qué es la supremacía cuántica?
Es el punto en el que un ordenador cuántico puede completar un cálculo matemático que está demostrablemente fuera del alcance incluso del más potente superordenador.
Aún no está claro exactamente cuántos qubits serán necesarios para conseguirlo porque los investigadores siguen encontrando nuevos algoritmos para aumentar el rendimiento de las máquinas clásicas, y el hardware de supercomputación sigue mejorando. Pero los investigadores y las empresas están trabajando duro para reclamar el título, realizando pruebas contra algunos de los superordenadores más potentes del mundo.
Hay mucho debate en el mundo de la investigación sobre lo significativo que será alcanzar este hito. En lugar de esperar a que se declare la supremacía, las empresas ya están empezando a experimentar con ordenadores cuánticos fabricados por compañías como IBM, Rigetti y D-Wave, una firma canadiense. Empresas chinas como Alibaba también están ofreciendo acceso a máquinas cuánticas. Algunas empresas están comprando ordenadores cuánticos, mientras que otras están utilizando los que se ponen a disposición a través de servicios de computación en la nube.
¿Dónde es probable que un ordenador cuántico sea más útil primero?
Una de las aplicaciones más prometedoras de los ordenadores cuánticos es para simular el comportamiento de la materia hasta el nivel molecular. Fabricantes de automóviles como Volkswagen y Daimler están utilizando ordenadores cuánticos para simular la composición química de las baterías de los vehículos eléctricos con el fin de encontrar nuevas formas de mejorar su rendimiento. Y las empresas farmacéuticas los aprovechan para analizar y comparar compuestos que podrían conducir a la creación de nuevos fármacos.
Las máquinas también son estupendas para los problemas de optimización porque pueden analizar un gran número de soluciones potenciales con extrema rapidez. Airbus, por ejemplo, las utiliza para ayudar a calcular las trayectorias de ascenso y descenso de aviones más eficientes en términos de combustible. Y Volkswagen ha presentado un servicio que calcula las rutas óptimas para autobuses y taxis en las ciudades con el fin de minimizar la congestión. Algunos investigadores también creen que las máquinas podrían utilizarse para acelerar la inteligencia artificial.
Los ordenadores cuánticos podrían tardar bastantes años en alcanzar todo su potencial. Las universidades y las empresas que trabajan en ellos se enfrentan a la escasez de investigadores cualificados en este campo y a la falta de proveedores de algunos componentes clave. Pero si estas nuevas y exóticas máquinas de computación cumplen su promesa, podrían transformar industrias enteras y acelerar la innovación mundial.