¿Qué es la computación cuántica y qué usos puede tener?

• Está llamada a transformar el mundo tal y como lo conocemos, aunque tiene por delante inmensos retos que superar
• Basándose en las leyes de la mecánica cuántica, resolverá problemas inalcanzables para la informática clásica

Los ordenadores cuánticos actuales son prototipos y apenas cuentan con decenas o centenares de cúbits.

La computación cuántica es una de las grandes promesas tecnológicas que se están desarrollando actualmente, y está llamada a transformar el mundo tal y como lo conocemos, a pesar de que se encuentra en pañales y todavía tiene por delante inmensos retos que superar. Aunque aún es pronto para saber cuál será su verdadera magnitud y sus principales aplicaciones, sí que se conocen algunos usos futuros, como la encriptación de comunicaciones, la inteligencia artificial, la mejora de procesos industriales o el diseño de fármacos. Las grandes potencias mundiales, con Estados Unidos, China y la Unión Europea a la cabeza, se han lanzado a una frenetica carrera por liderar su desarrollo, porque saben que hay mucho en juego.

Basándose en las leyes de la mecánica cuántica, estos ordenadores serán capaces de aumentar exponencialmente su capacidad de cálculo y resolver problemas extremadamente complejos, inalcanzables para la informática clásica. A continuación, se intenta responder a las principales dudas que puede suscitar esta nueva tecnología:

¿Qué es la física o mecánica cuántica?

La física es el campo de la ciencia que busca comprender las leyes fundamentales por las que se rige el universo, y se divide en dos ramas principales: la física clásica y la física cuántica.

La física o mecánica cuántica estudia la naturaleza a escala atómica y subatómica, analizando las interacciones entre las distintas fuerzas (como la electromagnética o la nuclear fuerte). Por su parte, en el mundo macroscópico operan las leyes de la física clásica enunciadas por Newton y corregidas por Einstein.

La física clásica y la cuántica nos ofrecen descripciones del mundo válidas en sus respectivos ámbitos de aplicación (macroscópico y microscópico), pero son incompatibles entre sí. Así, uno de los mayores retos para la física teórica es unificar estos principios contradictorios de la mecánica cuántica y la relatividad general.

¿Cómo funciona la computación cuántica?

La computación cuántica utiliza la física cuántica para procesar la información y resolver problemas. De esta manera, aplica al cálculo principios como la superposición, el entrelazamiento o la interferencia cuántica, lo que le permite superar las limitaciones de la informática convencional.

En lugar de emplear bits, los sistemas cuánticos se basan en cúbits, que pueden representar simultáneamente múltiples estados gracias a la superposición y el entrelazamiento, lo que permite desdoblarse virtualmente y aumentar de manera exponencial la capacidad de cálculo.

"La primera idea es que un ordenador cuántico emplea unas leyes distintas para realizar las computaciones. Utilizando las superposiciones hacemos computaciones en paralelo, pero cuando las tenemos que leer desaparecen, así que tenemos que hacer algo para que el resultado no sea completamente aleatorio. Ese es el arte de la computación cuántica: utilizar las superposiciones pero lograr que el resultado sea determinado y se ajuste al objetivo que queremos", explica a RTVE.es Ignacio Cirac, físico y director del Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica.

¿Qué es un cúbit?

El cúbit o bit cuántico es la unidad básica de información en la computación cuántica, y su papel es similar al que desempeñan los bits en la computación clásica, aunque se comportan de manera muy diferente. Mientras que los bits son binarios y solo pueden tener una posición de 0 o 1, los cúbits pueden tener además la superposición de ambas y de todos sus estados posibles. De esta manera, cuando a un ordenador cuántico se le introducen más cúbits, el aumento de su capacidad de computación es exponencial, a diferencia de un ordenador clásico, que aumenta linealmente su capacidad de cálculo cuando se le añaden más bits.

¿Qué es la superposición cuántica?

En la superposición, las partículas cuánticas son una combinación de todos sus estados teóricos posibles. Existen de forma simultánea, aunque cuando se miden, el resultado corresponde a solo una de esas posibles configuraciones.

"Los ordenadores cuánticos no utilizan ceros y unos, sino bits cuánticos, que utilizan una propiedad muy especial de la física cuántica, que es que pueden estar en el valor uno y cero a la vez mientras no los observemos. Están como haciendo las dos cosas, y si tenemos muchos podemos hacer múltiples operaciones a la vez. Esa es una de las ventajas de los computadores cuánticos", describe el físico Ignacio Cirac. "Una vez que tenemos estas superposiciones, que estamos haciendo todas estas cosas a la vez, si simplemente miramos el resultado, entonces desaparecen todas menos una, con lo cual perdemos todas las ventajas de las superposiciones. Así que hay que idear cómo con esas superposiciones, utilizando las leyes de la física cuántica, podemos colapsarlas para que den lugar al resultado que buscamos y no a todos los resultados posibles. Ahí es donde entra la dificultad de los algoritmos cuánticos", agrega.

¿Qué es el entrelazamiento cuántico?

El entrelazamiento es un fenómeno cuántico en el que los estados cuánticos de dos o más objetos se correlacionan en un estado único, a pesar de que estos objetos estén separados espacialmente, con independencia de cuál sea esta distancia. Dicho de otra manera, cuando dos cúbits se entrelazan, los cambios en uno afectan directamente al otro, aunque se encuentren en extremos opuestos del universo.

Cuando los cúbits están entrelazados, forman un único sistema y se influyen directamente entre sí, por lo que gracias a uno de esos cúbits se pueden sacar conclusiones acerca de los demás. Al agregar y entrelazar más cúbits dentro de un sistema, la capacidad de cálculo aumenta exponencialmente, lo que permite resolver problemas cada vez más complejos.

¿Qué es la interferencia cuántica?

La interferencia cuántica es el comportamiento intrínseco de un cúbit, debido a la superposición, de influir en la probabilidad de que colapse de una u otra forma. Los algoritmos cuánticos están diseñados para reducir este efecto tanto como sea posible y asegurar los resultados más precisos.

¿En qué punto de desarrollo se encuentra la computación cuántica?

Los ordenadores cuánticos actuales son prototipos y únicamente cuentan con decenas o centenares de cúbits. Sin embargo, se estima que los ordenadores cuánticos definitivos tendrán millones de cúbits, aunque para lograrlo esta tecnología aún debe superar múltiples retos, como controlar la inestabilidad de los cúbits -tienen que trabajar a temperaturas extremas, muy cercanas al cero absoluto (- 273,15 ºC), para mantenerse estables; y además son extremadamente frágiles ante cualquier interacción externa-, o la creación de lenguajes de programación propios. Aunque se han producido avances significativos en los últimos años, se calcula que aún pasarán décadas antes que puedan comercializarse.

¿Qué usos tendrá?

La computación cuántica resolverá problemas extremadamente complejos que en muchos casos son inabordables para las computadoras clásicas. Sus aplicaciones serán múltiples, aunque seguramente las más importantes se vayan descubriendo según se vaya desarrollando, como ha ocurrido con muchas de las grandes tecnologías actuales.

Entre los usos que ya se conocen, mejorará la seguridad de las comunicaciones y será fundamental para la investigación científica, ayudando por ejemplo a diseñar fármacos o nuevos materiales. Asimismo, permitirá acelerar las tareas de optimización en los procesos industriales y puede ser clave en campos como la inteligencia artificial, donde el análisis de datos tiene mucha importancia. Otro gran uso que seguramente tendrá será mejorarse a sí misma y acelerar ese proceso de desarrollo que resulta extremadamente complejo desde el punto de vista tecnológico.

¿Supondrá la computación cuántica el fin de la informática convencional?

No, al menos en principio. Todas las previsiones apuntan a que las computadoras cuánticas trabajarán junto a los superordenadores clásicos en un modelo híbrido.