En 1981, el físico estadounidense y Premio Nobel Richard Feynman dio una conferencia en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), cerca de Boston, en la que presentó una idea revolucionaria. Feynman sugirió que la extraña física de la mecánica cuántica podría usarse para realizar cálculos.
Así nació el campo de la computación cuántica. En los más de 40 años transcurridos desde entonces, se ha convertido en un área de investigación intensiva en ciencias de la computación. A pesar de años de desarrollo frenético, los físicos aún no han construido computadoras cuánticas prácticas que sean adecuadas para el uso diario y en condiciones normales (por ejemplo, muchas computadoras cuánticas operan a temperaturas extremadamente bajas). Todavía quedan preguntas e incertidumbres sobre las mejores formas de alcanzar este hito.
¿Qué es exactamente la computación cuántica y qué tan cerca estamos de verla en uso generalizado? Primero, observemos la computación clásica, el tipo de computación en el que confiamos hoy, como la de la computadora portátil que estoy usando para escribir este artículo.
Las computadoras clásicas procesan información utilizando combinaciones de «bits», sus unidades más pequeñas de datos. Estos bits tienen valores de 0 o 1. Todo lo que haces en tu computadora, desde escribir correos electrónicos hasta navegar por la web, es posible gracias al procesamiento de combinaciones de estos bits en cadenas de ceros y unos.
Por otro lado, las computadoras cuánticas utilizan bits cuánticos, o qubits. A diferencia de los bits clásicos, los qubits no solo representan 0 o 1. Gracias a una propiedad llamada superposición cuántica, los qubits pueden estar en múltiples estados simultáneamente. Esto significa que un qubit puede ser 0, 1 o ambos al mismo tiempo. Esta característica otorga a las computadoras cuánticas la capacidad de procesar enormes cantidades de datos e información de forma simultánea.
Imagina poder explorar todas las posibles soluciones a un problema al mismo tiempo, en lugar de hacerlo una por una. Esto te permitiría recorrer un laberinto probando simultáneamente todos los caminos posibles para encontrar el correcto. Por ello, las computadoras cuánticas son increíblemente rápidas para encontrar soluciones óptimas, como identificar la ruta más corta o el método más rápido.
Piensa en el problema extremadamente complejo de reprogramar vuelos de aerolíneas después de un retraso o incidente inesperado. Esto ocurre con regularidad en el mundo real, pero las soluciones aplicadas a menudo no son las mejores ni las más óptimas. Para determinar las respuestas óptimas, las computadoras estándar necesitarían considerar, una por una, todas las posibles combinaciones de movimientos, redirecciones, retrasos, cancelaciones o agrupaciones de vuelos.
Cada día hay más de 45,000 vuelos, organizados por más de 500 aerolíneas, conectando más de 4,000 aeropuertos. Resolver este problema llevaría años a una computadora clásica.
Por otro lado, una computadora cuántica podría probar todas estas posibilidades al mismo tiempo y dejar que la mejor configuración emerja de manera orgánica. Los qubits también poseen una propiedad física conocida como entrelazamiento. Cuando los qubits están entrelazados, el estado de uno puede depender del estado de otro, sin importar qué tan lejos estén.
Esto es algo que, nuevamente, no tiene equivalente en la computación clásica. El entrelazamiento permite a las computadoras cuánticas resolver ciertos problemas de manera exponencialmente más rápida que las computadoras tradicionales.
Una pregunta común es si las computadoras cuánticas reemplazarán por completo a las computadoras clásicas. La respuesta corta es no, al menos no en un futuro previsible. Las computadoras cuánticas son increíblemente poderosas para resolver problemas específicos, como simular interacciones entre diferentes moléculas, encontrar la mejor solución entre muchas opciones o manejar encriptación y desencriptación. Sin embargo, no son adecuadas para todo tipo de tareas.
Las computadoras clásicas procesan un cálculo a la vez en una secuencia lineal y siguen algoritmos (conjuntos de reglas matemáticas para realizar tareas de computación) diseñados para usarse con bits clásicos que son 0 o 1. Esto las hace extremadamente predecibles, robustas y menos propensas a errores que las máquinas cuánticas. Para necesidades cotidianas como procesamiento de texto o navegación por internet, las computadoras clásicas seguirán desempeñando un papel dominante.
Hay al menos dos razones para esto. La primera es práctica. Construir una computadora cuántica que pueda realizar cálculos confiables es extremadamente difícil. El mundo cuántico es increíblemente volátil, y los qubits son fácilmente perturbados por factores ambientales, como la radiación electromagnética, lo que los hace propensos a errores.
Meet Willow: Our state-of-the-art quantum chip. It's the first quantum chip to show exponential error reduction as qubits scale, paving the way for large-scale, fault-tolerant quantum computers. Dive in → https://t.co/Lr1vkZk1QT pic.twitter.com/8VkiXQ694u
— Google Quantum AI (@GoogleQuantumAI) December 9, 2024
La segunda razón radica en la incertidumbre inherente al trabajar con qubits. Debido a que los qubits están en superposición (no son ni 0 ni 1), no son tan predecibles como los bits usados en la computación clásica. Por lo tanto, los físicos describen los qubits y sus cálculos en términos de probabilidades. Esto significa que el mismo problema, utilizando el mismo algoritmo cuántico, ejecutado varias veces en la misma computadora cuántica, podría arrojar diferentes soluciones cada vez.
Para abordar esta incertidumbre, los algoritmos cuánticos generalmente se ejecutan varias veces. Luego, los resultados se analizan estadísticamente para determinar la solución más probable. Este enfoque permite a los investigadores extraer información significativa de los cálculos cuánticos inherentemente probabilísticos.
Desde un punto de vista comercial, el desarrollo de la computación cuántica aún se encuentra en sus primeras etapas, pero el panorama es muy diverso, con muchas nuevas empresas surgiendo cada año. Es fascinante ver que, además de grandes compañías establecidas como IBM y Google, nuevas empresas como IQM, Pasqal y startups como Alice y Bob están trabajando para hacer las computadoras cuánticas más confiables, escalables y accesibles.
En el pasado, los fabricantes llamaban la atención sobre el número de qubits en sus computadoras cuánticas como una medida de su potencia. Cada vez más, los fabricantes priorizan las formas de corregir los errores a los que son propensas las computadoras cuánticas. Este cambio es crucial para desarrollar computadoras cuánticas a gran escala y tolerantes a fallos, ya que estas técnicas son esenciales para mejorar su usabilidad.
El último chip cuántico de Google, Willow, ha demostrado recientemente avances notables en este ámbito. Cuantos más qubits usa Google en Willow, más reduce los errores. Este logro marca un paso significativo hacia la construcción de computadoras cuánticas comercialmente relevantes que puedan revolucionar campos como la medicina, la energía y la inteligencia artificial.
Después de más de 40 años, la computación cuántica todavía está en su infancia, pero se espera un progreso significativo en la próxima década. La naturaleza probabilística de estas máquinas representa una diferencia fundamental entre la computación cuántica y la clásica. Es lo que las hace frágiles y difíciles de desarrollar y escalar.
Al mismo tiempo, es lo que las convierte en una herramienta muy poderosa para resolver problemas de optimización, explorando múltiples soluciones al mismo tiempo, más rápido y de manera más eficiente que las computadoras clásicas.
