Las máquinas cuánticas prometen superar incluso a las más capaces de las supercomputadoras de hoy y de mañana. Sin embargo, no eliminarán las computadoras convencionales. Según los expertos, el uso de una máquina clásica seguirá siendo la solución más fácil y económica para abordar la mayoría de los problemas.
Ahora bien, las computadoras cuánticas prometen impulsar avances emocionantes en varios campos, desde la ciencia de los materiales hasta la investigación farmacéutica. Es por ello que las empresas ya están experimentando con estas para desarrollar cosas como baterías más livianas y potentes para autos eléctricos, e incluso hasta para ayudar a crear nuevas drogas.
Qubits
Según los expertos, el secreto del poder de una computadora cuántica reside en su capacidad para generar y manipular bits cuánticos o qubits.
Las computadoras de hoy usan bits, una corriente de pulsos eléctricos u ópticos que representan unos o ceros. Todo, desde tus tweets y correos electrónicos hasta las canciones de iTunes y videos de YouTube, son esencialmente cadenas largas de estos dígitos binarios. Las computadoras cuánticas, por otro lado, usan qubits, que generalmente son partículas subatómicas como electrones o fotones.
Generar y administrar qubits es un desafío científico y de ingeniería. Algunas compañías, como IBM, Google y Rigetti Computing utilizan circuitos superconductores enfriados a temperaturas más frías que el espacio profundo. Otros, como IonQ, atrapan átomos individuales en campos electromagnéticos en un chip de silicio en cámaras de ultra alto vacío. 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 la misma cantidad de bits binarios. Una de esas propiedades se conoce como superposición y otra se llama entrelazamiento.
Los qubits puede representar numerosas combinaciones posibles de unos y ceros al mismo tiempo. Esta capacidad de estar simultáneamente en múltiples estados se llama superposición. Para colocar los qubits en superposición, los investigadores los manipulan con láser de precisión o rayos de microondas.
Según explica Martin Giles en Technology Review, gracias a este fenómeno contraintuitivo, una computadora cuántica con varios qubits en superposición puede superar una gran cantidad de resultados potenciales simultáneamente. El resultado final de un cálculo surge solo una vez que se miden los qubits, lo que inmediatamente hace que su estado cuántico se “colapse” a uno o cero.
El enredo
Los investigadores pueden generar pares de qubits que están “enredados”, lo que significa que los dos miembros de un par existen en un solo estado cuántico. Cambiar el estado de uno de los qubits cambiará instantáneamente el estado del otro de una manera predecible. Esto sucede incluso si están separados por distancias muy largas.
Nadie sabe realmente cómo o por qué funciona el enredo. Este tema incluso desconcertó a Einstein, quien lo describió como una “acción espeluznante a distancia”, pero es clave para el poder de las computadoras cuánticas. En una computadora convencional, duplicar el número de bits duplica su poder de procesamiento; pero gracias al enredo, agregar qubits adicionales a una máquina cuántica produce un aumento exponencial en su capacidad de descifrar números.
Las computadoras cuánticas aprovechan los qubits enredados en una especie de cadena de margarita cuántica para hacer su magia. La capacidad de las máquinas para acelerar los cálculos utilizando algoritmos cuánticos especialmente diseñados es la razón por la cual hay tanta expectación sobre su potencial.
Esa es la buena noticia. La mala noticia es que las máquinas cuánticas son mucho más propensas a errores que las computadoras clásicas debido a la decoherencia, que es la interacción de los qubits con su entorno de formas que hacen que su comportamiento cuántico decaiga y finalmente desaparezca. Su estado cuántico es extremadamente frágil. La más mínima vibración o cambio de temperatura (perturbaciones conocidas como “ruido” en el habla cuántica) pueden hacer que se caigan de la superposición antes de que su trabajo se haya realizado correctamente. Es por eso que los investigadores hacen todo lo posible para proteger los qubits del mundo exterior en esos refrigeradores y cámaras de vacío sobreenfriados.
A pesar de los esfuerzos, el ruido sigue causando muchos errores que se arrastran en los cálculos. Los algoritmos cuánticos inteligentes pueden compensar algunos de estos, y agregar más qubits también ayuda. Sin embargo, es probable que se necesiten miles de qubits estándar para crear uno único y altamente confiable, conocido como qubit “lógico”. Esto reducirá gran parte de la capacidad computacional de una computadora cuántica.
Ahí está el problema: hasta ahora, los investigadores no han podido generar más de 128 qubits estándar, así que todavía nos faltan muchos años para obtener computadoras cuánticas que serán ampliamente útiles.
Supremacía cuántica
Nada de lo anterior ha hecho mella en las esperanzas de los pioneros de ser los primeros en demostrar la “supremacía cuántica”, que es el punto en el que una computadora cuántica puede completar un cálculo matemático que está demostrablemente fuera del alcance incluso de la supercomputadora más poderosa.
Según Giles, todavía no está claro exactamente cuántos qubits se necesitarán para lograr esto, porque los investigadores siguen encontrando nuevos algoritmos para aumentar el rendimiento de las máquinas clásicas, y el hardware de supercomputación sigue mejorando. No obstante, los investigadores y las empresas están trabajando arduamente para reclamar el título, realizando pruebas contra algunas de las supercomputadoras más poderosas del mundo.
“Hay mucho debate en el mundo de la investigación sobre cuán significativo será lograr este hito. En lugar de esperar a que se declare la supremacía, las compañías ya están comenzando a experimentar con computadoras cuánticas fabricadas por compañías como IBM, Rigetti y D-Wave, una empresa canadiense. Las empresas chinas como Alibaba también ofrecen acceso a máquinas cuánticas. Algunas empresas están comprando computadoras cuánticas, mientras que otras están utilizando las disponibles a través de los servicios de computación en la nube”, indica Giles en su post.
Utilidad
Una de las aplicaciones más prometedoras de las computadoras cuánticas es simular el comportamiento de la materia hasta el nivel molecular. Los fabricantes de automóviles como Volkswagen y Daimler están utilizando computadoras cuánticas para simular la composición química de las baterías de los vehículos eléctricos para ayudar a encontrar nuevas formas de mejorar su rendimiento. Asimismo, las compañías farmacéuticas los están aprovechando para analizar y comparar compuestos que podrían conducir a la creación de nuevos medicamentos.
Las máquinas también son excelentes para los problemas de optimización, ya que pueden procesar grandes cantidades de soluciones potenciales extremadamente rápido. Airbus, por ejemplo, los está utilizando para ayudar a calcular las rutas de ascenso y descenso más eficientes en combustible para aviones. A su vez, Volkswagen ha presentado un servicio que calcula las rutas óptimas para autobuses y taxis en las ciudades a fin de minimizar la congestión. Algunos investigadores también piensan que las máquinas podrían usarse para acelerar la inteligencia artificial.
Las computadoras cuánticas pueden tardar varios años en alcanzar su máximo potencial. Las universidades y las empresas que trabajan en ellas enfrentan una escasez de investigadores calificados en el campo y la falta de proveedores de algunos componentes clave. Pero si estas nuevas y exóticas máquinas informáticas cumplen su promesa, podrían transformar industrias enteras y potenciar la innovación global.