¿Qué promete la computación cuántica?

Luis José Fuentes Paz

Estudiante de Ingeniería en Ciencias y Sistemas - USAC

Palabras Clave:
Atómico, Computación, Cuántica, Evolución, Informática, Mecánica, Paradigma, Tecnología, Qubits

La computación cuántica es un paradigma que nació recientemente, pero con el paso de los años ha tomado mucho realce haciendo que grandes empresas inviertan y financien proyectos que involucran este nuevo paradigma de computación. Una de las razones principales del por qué invertir en estos proyectos es porque a largo plazo la computación cuántica supera en gran proporción a la computación clásica, esto debido al poder de procesamiento de los ordenadores cuánticos y la solución a diversos problemas que se resolverían en un corto plazo de tiempo comparado con los ordenadores clásicos que tomarían años haciéndolo.

Antecedentes

La computación clásica es la que está a nuestro alcance actualmente y es de uso cotidiano, está basada en una lógica binaria, lo que significa que los ordenadores procesan únicamente dos valores que son O y 1. Estos dos valores (O y 1) se conocen como bit, el cual en informática es la unidad mínima de información. A un nivel más físico estos dos valores o estados, en una computadora son generados por un componente electrónico llamado transistor, que únicamente se encarga de cerrar o abrir un circuito para el paso de corriente y generar lo que llamamos bits.

Entonces las computadoras actuales están conformadas por varios millones de transistores los cuales permiten procesar millones de bits, pero con el paso de los años la ley de Moore, que dice que aproximadamente cada dos años el número de transistores en un microprocesador se duplica, está caducando, lo que indica que la computación clásica llegara a un punto donde no dará para más y una nueva tecnología la remplazará total o parcialmente, tal es el caso de la llegada de la computación cuántica.

¿Qué es la computación cuántica?

La computación cuántica está basada en la superposición de estados, esta propiedad cuántica nos dice que los estados de un átomo pueden coexistir paralelamente. Esto comparado con la lógica binaria que se limita a estar en uno de dos estados posibles que son 0 o 1, la superposición permite que los dos estados estén ambos a la vez, por ende, sabemos que un bit es 0 o 1 pero un cubit que es la unidad de medida en computación cuántica puede ser 0 y 1 al mismo tiempo y gracias a esta propiedad cuántica, es posible procesar información a una velocidad de millones de veces más rápido que con lógica binaria.

Imagen 1: Mecánica cuántica / Dualidad onda - partícula. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dualite.jpg

Un ejemplo descriptivo del funcionamiento de la computación cuántica contra la computación clásica se daría en el caso de que se tuviera una clave de 4 bits, para determinar la clave correcta en una computadora con lógica binaria, tendríamos que probar los cuatros bits en sus dos estados cambiando de estado un solo bit a la vez, lo que nos llevaría como máximo 16 intentos, mientras que en una computara cuántica con 4 cubits y un algoritmo de procesamiento, se podría saber la clave en un solo intento, debido a que los cubits son 0 y 1 a la vez y no necesitamos realizar cambios de estado en ninguno de ellos. La proporción de 16 a 1 para este ejemplo básico nos da una idea de que tan poderoso es este nuevo paradigma de computación.

No todo es color de rosa

Actualmente este paradigma de computación tiene sus limitaciones. Al tratarse del manejo de átomos y partículas para obtener el funcionamiento adecuado de los cubits, se necesita trabajar en ambientes aislados, refrigerados aproximadamente a -273°C y conservados en vacío, por lo que esto no es como tener un ordenador portátil en las manos, otro de los inconvenientes que surge conforme se crean ordenadores cuánticos más ponentes es la incerteza, al tener un número grande de cubits también el error aumenta proporcionalmente, a este fenómeno se le conoce como decoherencia cuántica lo que significa la perdida de la superposición de estados, el átomo pierde dicha propiedad y se comporta de forma clásica, adoptando un solo estado. Existen algoritmos que contrarrestan este fenómeno como lo es el algoritmo de Grover pero aun así existen limitantes que reducen el número de cubits de procesamiento.

Computadoras cuánticas en la actualidad

Actualmente D-Wave es el líder en desarrollo de software y fabricación de ordenadores cuánticos, los cuales son utilizados por la NASA, Google y USC entre otras organizaciones de primer nivel. La computadora cuántica más poderosa actualmente es la D-Wave 2000Q que resuelve algunos problemas específicos como lo es la optimización, modelado y ciencias de los materiales. También se suma a la lista de competidores IBM, que cuenta con ordenadores cuánticos con procesador de 20 cubits, adicionalmente cuenta con algunos ordenadores cuánticos disponibles en la nube de 16 cubits y de 5 cubits, para aficionados o investigadores. Por otra parte, Google tiene en proceso un proyecto de un ordenador cuántico que aspira a tener un procesador de 49 cubits. Se dice que se alcanzaría la supremacía cuántica cuando se logre crear computadores de más de 49 cubits que es el punto donde se lograra superar a los ordenadores clásicos más potentes de la actualidad. Sin duda alguna hablar de números es muy fácil pero la investigación y el desarrollo de estos ordenadores conllevan un gran proceso que con el paso de los años se pretende lograr y dar ese gran salto.

Lo que promete la computación cuántica

Debido a algunas de las limitantes mencionadas anteriormente el fin de la computación cuántica no es sustituir en su totalidad a la computación clásica, pero el enfoque parcial que se tiene es de prestar servicios de ordenadores cuánticos en la nube. Por lo que se debe resaltar que la computación cuántica al tener un alto poder de procesamiento sería muy útil en el tratamiento de grandes volúmenes de información como Big Data, aceleraría el proceso de aprendizaje de la inteligencia artificial como Machine Learnig y uno de los puntos más cruciales la criptografía con algoritmos más potentes que los actuales.

Todo esto es parte de una nueva era tecnológica de la cual podríamos ser testigos.

Imagen 2: Computadora cuántica D-Wave de 2000 Qubits de procesamiento. Fuente: https://www.dwavesys.com/resources/media-resources

Conclusiones

  • La computación cuántica pretende solucionar problemas que en la actualidad son imposibles de solucionar con la computación clásica.

  • Al contar con ordenadores cuánticos, se aceleraría el tratamiento de la información en grandes volúmenes tal como se genera actualmente.

  • Esta tecnología está enfocada a la resolución de problemas de optimización, detección de patrones, Big Data, Machine Learning y Criptografía.

  • La computación cuántica supone un gran avance a nivel tecnológico y social.

Referencias