Computadoras cuánticas: ¿cómo resuelven en segundos tareas que tomarían miles de años? (¿y por qué aún es utópico su uso masivo?)

Quizás incluso pensemos que esta tecnología será el futuro de la computación e informática y que, en algún tiempo, todas las computadoras actuales serán remplazadas por una nueva generación de computadoras cuánticas, tal y como en su momento pasó con las máquinas de escribir o con un sinnúmero de otras tecnologías que quedaron obsoletas y en el olvido.

Pero ¿es esto así?, ¿realmente esta nueva tecnología sustituirá a los sistemas clásicos de computación que hoy en día usamos? La verdad es que no. O por lo menos, por ahora, no es posible concebirlo.

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Entonces, ¿qué es una computadora cuántica y para qué sirve?

Una computadora cuántica explota las propiedades de la mecánica cuántica para resolver problemas. Hay dos en particular que son bastante útiles para este fin.

La primera es la superposición. En un sistema de computación clásico la unidad de información se llama bit y puede tener un valor de uno o cero. En un sistema cuántico, por el contrario, se utiliza el qubit (o bit cuántico), que puede ser uno y cero al mismo tiempo.

La segunda propiedad es el entrelazamiento. Básicamente, esta refiere al hecho de que dos sistemas, por más que no se encuentren en el mismo lugar, pueden estar relacionados de tal forma que si afectamos a uno el otro también es afectado.

“Explotando estas dos propiedades se puede resolver ciertos tipos de problemas en una escala de tiempo que con las computadoras clásicas no sería posible conseguir”, explica a El Comercio Omar Ortiz, profesor de física de la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP).

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Ortiz nos ilustra las diferencias entre los dos sistemas de computación de la siguiente manera. En la imagen inferior, de lado izquierdo se observa un tablero de Galton. En este, al dejar caer una bolita, ella seguirá una trayectoria a medida que rebota en las clavijas. Esta es una alegoría al sistema clásico. En cuántica, lo que se tiene es que no siempre se sigue un único camino, sino que se puede explorar todos los caminos en simultáneo, como está representado gráficamente en el muestreo de bosón cuántico (de lado derecho de la imagen), en donde un fotón entra en un arreglo en el cual hay separaciones (splitters) y se bifurca entre ellas.

Con estas propiedades, ¿qué puede hacer una computadora cuántica?

“La idea de computación cuántica es que la capacidad de cómputo que se espera de estos sistemas es abismalmente mayor al que tienen las computadoras actuales para resolver ciertos tipos de problemas como factorización de números grandes, diseño de moléculas —que tiene muchas aplicaciones en la industria farmacéutica —, búsqueda de base de datos, problemas de optimización, entre otros”, comenta el catedrático de la PUCP.

De esta manera, una computadora cuántica podría resolver en tan solo unos pocos minutos un problema complejo que a una de las mejores computadoras actuales le tomarían miles de años.

Para ponernos en perspectiva, Robert Loredo, Quantum Ambassador de IBM, explica a este Diario que “la cantidad de bits clásicos que necesitaríamos para simular el procesador [cuántico] IBM Eagle, de 127 qubits, sería mayor que el número de átomos contenidos en los más de 7.500 millones de personas en la Tierra”.

Ventaja cuántica

En 2019, Google dijo que su procesador cuántico Sycamore, de 53 qubits, había superado por primera vez el rendimiento de una supercomputadora en una tarea en particular.

El gigante tecnológico aseguró que Sycamore fue capaz de realizar en solo 200 segundos una tarea específica que las mejores supercomputadoras del mundo habrían tardado más de 10.000 años en completar.

Este acontecimiento marcó un hito en la historia de la computación cuántica, ya que se logró la ventaja cuántica, que no es otra cosa que la demostración de que una computadora de este tipo puede resolver un problema específico que una computadora normal no podría hacerlo en un tiempo razonable.

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Actualidad y futuro

Las posibilidades que se abren con esta tecnología son enormes. Eventualmente, empresas como Amazon podrían calcular cómo repartir su mercadería gestionando mejor la cantidad de combustible a escala global, una farmacéutica podría encontrar el diseño moléculas estables que tengan las propiedades que requieren ciertos fármacos, los bancos podrían desarrollar sistemas para reducir la incertidumbre y riesgo del negocio, entre muchas aplicaciones más.

“La computación cuántica podría comenzar a transformar significativamente el panorama de los servicios financieros en los próximos años”, comenta Lorendo. “Hoy, varias instituciones de alto perfil han invertido recursos para escalar la computación cuántica para las finanzas, como JPMorgan Chase, HSBC y Goldman Sachs. Todos están investigando aplicaciones potenciales que van desde la fijación de precios de derivados hasta la optimización de carteras y la liquidación de transacciones. Por ejemplo, el equipo de investigación cuántica de Goldman Sachs ha publicado un estudio que detalla las evaluaciones iniciales de los recursos cuánticos necesarios para lograr una ventaja cuántica en la fijación de precios de derivados”, añade el especialista de IBM.

Pero, aunque todo esto suena maravilloso y en teoría es posible que se logre, aún falta mucho desarrollo. “Todas esas aplicaciones requieren sistemas con muchísimos qubits (hablamos de millones). Y ahora no hay ninguna plataforma que tenga esa capacidad. Además, no tienen que ser cualquier tipo de quibits, tienen que ser muy robustos, que sean resistentes al ruido”, dice Omar Ortiz. “Entonces, la meta de que tengamos un sistema de computación cuántica que impacte en la sociedad es aún un poco lejana”, señala.

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Por eso, el enfoque actual es buscar problemas muy específicos para que las computadoras cuánticas puedan demostrar ventaja cuántica, y no es necesario que posean una utilidad práctica.

Teniendo esto en cuenta, queda descartada la idea de que en un futuro cercano las computadoras y procesadores que usamos en nuestro día a día serán reemplazados por modelos cuánticos. De hecho, ambos sistemas seguirán trabajando conjuntamente tratando de hallar soluciones a un amplio abanico de problemas muy especializados.

“Nuestro objetivo es construir supercomputadoras centradas en la cuántica, que incorporarán procesadores cuánticos, procesadores clásicos, redes de comunicación cuántica y redes clásicas, todas trabajando juntas para transformar por completo la forma en que computamos”, comenta Loredo de IBM. “Para hacerlo, debemos resolver el desafío de escalar los procesadores cuánticos, desarrollar un entorno de tiempo de ejecución para proporcionar cálculos cuánticos con mayor velocidad y calidad, e introducir un modelo de programación sin servidor para permitir que los procesadores cuánticos y clásicos trabajen juntos sin fricción”, acota.

La compañía tecnológica ha anunciado que el próximo año llegará al mercado Cóndor, su procesador de 1.121 qubits y planean tener, para el 2025, un sistema de más de 4.000 qubits.

Plataformas cuánticas: Qubits y fotones

Por su lado, los investigadores también trabajan en encontrar la mejor plataforma cuántica de computación, ya que si bien la de los qubits superconductores —de los que hemos venido hablando hasta ahora — es la más desarrollada, existen otras en experimentación y desarrollo. Por ejemplo, los procesadores fotónicos cuánticos, campo en el que se desarrolla Omar Ortiz.

“Hay cosas que contrastan mucho de plataforma en plataforma. Los qubits, por ejemplo, son algo físico, están dentro de un chip. Y lograr preservar la información de la superposición es muy difícil, pues se ve rápidamente afectada por el entorno, por algo que se llama decoherencia, un proceso que básicamente hace que el qubit se vuelva un bit de información; es decir, pierde las propiedades cuánticas. Para evitarlo se tiene que impedir que el qubit interactúe con el entorno, así que se enfría a muy bajas temperaturas. Hablamos de alrededor de 20 milikelvin [aproximadamente -273 grados centígrados], un poco por encima del cero absoluto. Además, los procesos que se realizan para evitar que se pierda la información tienen que ser muy rápidos”, detalla el físico.

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“En cambio, en los arreglos fotónicos hay fotones que cargan la información —al igual que lo hace un quibit— en su grado de libertad de polarización. Si un fotón se deja viajando, no va a perder la información porque los fotones no interactúan mucho entre sí. Al menos que se choquen con una pared o algo, esa información va a seguir”, agrega.

La semana pasada, un equipo de científicos de la empresa canadienses Xanadú logró por primera vez ventaja cuántica en un sistema de fotones. En tan solo 36 microsegundos completaron una tarea que hubiera tardado 9.000 años. Se tiene mucha expectativa al respecto.