La computación cuántica, una tecnología que está surgiendo rápidamente que aprovecha las leyes de la mecánica cuántica para resolver problemas demasiado complejos para las computadoras tradicionales.

Vivimos en la era de la tecnología, pero aún no lo hemos visto todo: la computación cuántica, que en los últimos años ha dado pequeños —pero importantes— pasos de la mano de grandes empresas, promete revolucionar casi todo lo que conocemos.

En un mundo binario de unos y ceros, los ordenadores cuánticos serían como los Albert Einstein de la informática, cerebros electrónicos extraordinarios capaces de realizar en unos segundos tareas casi imposibles para una computadora clásica. La multinacional IBM será la primera en comercializar uno de estos prodigios de la tecnología, el Q System One, un cubo de cristal de unos 3 x 3 metros y 20 qubits que fue presentado en 2019 y estará disponible para el ámbito empresarial y la investigación.

¿Por qué necesitamos computadoras cuánticas?

¿Qué es la computación cuántica?

Esta rama de la informática se basa en los principios de la superposición de la materia y el entrelazamiento cuántico para desarrollar una computación distinta a la tradicional. En teoría, sería capaz de almacenar muchísimos más estados por unidad de información y operar con algoritmos mucho más eficientes a nivel numérico, como el de Shor o el temple cuántico.

Esta nueva generación de superordenadores aprovecha el conocimiento de la mecánica cuántica —la parte de la física que estudia las partículas atómicas y subatómicas— para superar las limitaciones de la informática clásica. Aunque la computación cuántica presenta en la práctica problemas evidentes de escalabilidad y decoherencia, permite realizar multitud de operaciones simultáneas y eliminar el efecto túnel que afecta a la programación actual en la escala nanométrica.

¿Qué es in qubit?

La informática cuántica utiliza como unidad básica de información el qubit en lugar del bit convencional. La principal característica de este sistema alternativo es que admite la superposición coherente de unos y ceros, los dígitos del sistema binario sobre los que gira toda la computación, a diferencia del bit, que solo puede adoptar un valor al mismo tiempo —uno o cero—.

Esta particularidad de la tecnología cuántica hace que un qubit pueda ser cero y uno a la vez, y además en distinta proporción. La multiplicidad de estados posibilita que un ordenador cuántico de apenas 30 qubits, por ejemplo, pueda realizar 10 billones de operaciones en coma flotante por segundo, es decir, unos 5,8 billones más que la videoconsola PlayStation más potente del mercado.

¿Cómo funcionan la computadoras cuánticas?

Las computadoras cuánticas son máquinas elegantes, más pequeñas y que requieren menos energía que las supercomputadoras. Un procesador IBM Quantum es una oblea no más grande que la que se puede encontrar en una computadora portátil. Y un sistema de hardware cuántico tiene aproximadamente el tamaño de un automóvil, compuesto principalmente por sistemas de enfriamiento para mantener el procesador superconductor a una temperatura operativa ultrafría.

Un procesador clásico utiliza bits para realizar sus operaciones. Una computadora cuántica usa qubits para ejecutar algoritmos cuánticos multidimensionales.

Superfluidos
Es probable que su computadora desktop use un ventilador para enfriarse lo suficiente para trabajar. Nuestros procesadores cuánticos deben estar muy fríos, alrededor de una centésima de grado sobre cero. Para lograr esto, usamos superfluidos superenfriados para crear superconductores.

Superconductores
A esas temperaturas ultrabajas, ciertos materiales en nuestros procesadores exhiben otro efecto mecánico cuántico importante: los electrones se mueven a través de ellos sin resistencia. Esto los convierte en «superconductores». Cuando los electrones pasan a través de los superconductores, se emparejan y forman «pares de Cooper». Estos pares pueden transportar una carga por barreras o aisladores a través de un proceso conocido como efecto túnel. Dos superconductores colocados a ambos lados de un aislador forman una unión de Josephson.

Control
Nuestras computadoras cuánticas usan uniones de Josephson como qubits superconductores. Al disparar fotones de microondas a estos qubits, se puede controlar su comportamiento y hacer que retengan, cambien y lean unidades individuales de información cuántica.

Superposición
Un qubit en sí mismo no es muy útil, pero puede realizar un truco importante: colocar la información cuántica que contiene en un estado de superposición, lo que representa una combinación de todas las configuraciones posibles del qubit. Los grupos de qubits en superposición pueden crear espacios computacionales complejos y multidimensionales. Los problemas complejos se pueden representar de nuevas formas en estos espacios.

Entrelazamiento
El entrelazamiento es un efecto mecánico cuántico que correlaciona el comportamiento de dos cosas separadas. Cuando dos qubits están entrelazados, los cambios en un qubit impactan directamente en el otro. Los algoritmos cuánticos aprovechan esas relaciones para encontrar soluciones a problemas complejos.

Principales Aplicaciones de la Computación Cuántica 

La computación cuántica y la tradicional son dos mundos paralelos con algunas similitudes y numerosas diferencias entre sí, como el uso del qubit frente al bit. A continuación, repasamos tres de las más relevantes:

Lenguaje de programación

La computación cuántica carece de un código propio para programar y recurre al desarrollo e implementación de algoritmos muy específicos. Sin embargo, la informática tradicional cuenta con lenguajes estandarizados como Java, SQL o Python, entre muchos otros.

 Funcionalidad

Un ordenador cuántico no es una herramienta para uso popular ni cotidiano, como un ordenador personal (PC). Estas supercomputadoras son tan complejas que solo tienen cabida en el ámbito corporativo, científico y tecnológico.

 Arquitectura

La composición de un ordenador cuántico es más sencilla que la de uno convencional, y no tiene memoria ni procesador. Estos equipos se limitan a un conjunto de qubits que sirven de base para su funcionamiento.

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