Computación del siglo XXI: los ordenadores cuánticos 💻

Bienvenidos a una nueva entrada del blog!! Un día más os traigo una entrada en la que hablamos de los avances científicos más actuales y no podía pasar ni una semana más sin que hablásemos de la tecnología más prometedora de este siglo: la computación cuántica.

No cabe duda de que el siglo XX ha sido uno de los mejores periodos en cuanto a avances científicos se refiere. Grandes físicos, matemáticos y químicos vieron como las fronteras del conocimiento se ampliaban hasta límites inimaginables y nunca pensaron que teorías tan anti intuitivas como la mecánica cuántica fueran las correctas para explicar nuestro mundo. Pero si el siglo pasado fue memorable, de lo que tampoco cabe duda es que nuestro siglo será la guinda del pastel. Desde que se describió, muchísimos científicos se lanzaron a la ardua tarea de buscar ya no sólo teorías compatibles con los postulados cuánticos que explicasen la naturaleza, sino aplicaciones más allá de todo ese conocimiento. Fue de ese empeño por mejorar la tecnología que nacieron lo que conocemos como los ordenadores cuánticos.

QUBITS

Antes de adentrarnos en explicar qué es esto de la computación cuántica, conviene que hagamos un repaso de cómo funcionan los ordenadores convencionales. Seguramente haya oído eso de que los ordenadores funcionan "a base de 1s y 0s". Y lo cierto es que es así, nuestros ordenadores trabajan con los bits, la unidad mínima de información que se traduce en una corriente de pulsos eléctricos u ópticos, representando 1s y 0s en el sistema binario. Así, la función principal de un ordenador consiste en realizar operaciones por medio de puertas lógicas, y de esta forma se transmite la información. Bien, pues los ordenadores cuánticos también tienen su unidad mínima de información: los qubits.

Los qubits son términos abstractos que no hacen referencia a un sistema físico en específico. Podríamos describirlos como partículas subatómicas como electrones o fotones, que sabemos que bajo determinadas condiciones tienen un comportamiento cuántico. La gran diferencia con respecto a los bits es que, mientras estos pueden tomar 0 o 1 como valores, los qubits pueden tomar más (infinitos de hecho). Esto es lo que llamamos la superposición cuántica, y es un fenómeno físico que se resume en que una partícula puede tener "varias velocidades al mismo tiempo" o "estar en dos lugares al mismo tiempo" (matemáticamente, la superposición es una consecuencia inmediata de la linealidad de la ecuación de ondas de Schrödinger, de la que hablamos en numerosas entradas).

Representación de un Qubit: Todos los posibles valores de un qubit son cada uno de los puntos de esta esfera. En particular un bit es un qubit.

Fuente: howstuffworks.com

La superposición nos permite realizar gran cantidad de operaciones de forma simultánea. Pero claro ¿Cómo hacemos para hacer emerger el resultado? Pues aquí entra en juego la cuántica, en particular las propiedades de la Función de Onda. Recordemos que en entradas anteriores ya hablamos de que "medir" suponía "colapsar" la Función de Onda y hacer que esta tome un valor en concreto. Pues bien, aplicando este mismo concepto a un qubit, dado que por la superposición se encuentra tomando diferentes valores al mismo tiempo, podemos hacer que este "colapse" y que tome un valor específico, haciendo emerger así el resultado buscado. 

Pero existe otro fenómeno cuántico del que los físicos e ingenieros se han aprovechado para construir este tipo de computación: el entrelazamiento cuántico, del que ya hablamos en la entrada sobre los premios nobel de física 2022. La clave de esta cuestión es que los físicos son capaces de generar pares de qubits entrelazados de forma que gracias a esto, añadir qubits a un ordenador cuántico produce un aumento en su capacidad de procesamiento de forma exponencial, mientras que duplicar los bits de un ordenador convencional solo supone duplicar su capacidad de procesamiento. Pero no todo son ventajas. Si bien es cierto que la capacidad computacional es mejor que la de los ordenadores convencionales, la computación cuántica presenta mayor tasa de errores en los cálculos. Esto es lo que se conoce como incoherencia cuántica, y ocurre cuando los qubits se desprenden de su estado cuántico por alteraciones del ambiente como cambios de temperatura o vibraciones. Esta incoherencia (o también conocido como decaimiento) es consecuencia de la extrema delicadeza de los qubits y de la sofisticada construcción de los ordenadores cuánticos. Por este motivo es necesario trabajar con miles de qubits para obtener uno 100% confiable, por lo que a fin de cuentas la potencia de computación no aumenta tanto como lo esperado anteriormente pues este proceso requiere de mucha carga 

ARQUITECTURA DE LOS ORDENADORES CUÁNTICOS

Llegados a este punto te estarás preguntando cómo se puede construir un ordenador cuántico y como se manejan estos estados cuánticos. Lo cierto es que su arquitectura es completamente diferente a la de los ordenadores convencionales pues no cuenta ni con RAM ni ROM al uso. Veamos cada una de sus partes:

• REFRIGERADOR DE DILUCIÓN: este es el componente más grande de los ordenadores cuánticos. Es esencialmente una nevera muy potente que por medio de ciertos isótopos del gas Helio (Helio-3 y Helio-4) y otros procesos más complejos se encarga de mantener el interior de dicha nevera muy cerca del 0 absoluto, es decir, alcanza temperaturas próximas a los -273ºC. 
• CHIP SUPERCONDUCTOR: se encuentra dentro del refrigerador de dilución y contiene a los qubits. Está comunicado con el exterior por medio de filtros y cables coaxiales.
• RACK: se trata de un armario donde se guardan los generadores y los detectores microondas que trasmiten al chip la información sobre las operaciones que tiene que realizar y medir los qubits.
  

¿Y por qué una nevera? El chip superconductor no es más que un material superconductor, lo que significa que a muy bajas temperaturas es un material que no opone ninguna resistencia al paso de la electricidad. A nivel atómico esto induce los pares de Cooper, que no son más que pares de electrones entrelazados, que funcionarán como qubits. 

Ordenador cuántico desarrollado por IBM. Fuente: IBM

CARENCIAS Y EXPECTATIVAS DE LA COMPUTACIÓN CUÁNTICA

Si bien es cierto que podríamos pensar que los ordenadores cuánticos se están diseñando para sustituir a los convencionales, lo cierto es que no es así, al menos a corto y a medio plazo. Como has podido intuir, el funcionamiento de esta tecnología no es sencillo y requiere de muchos recursos, y esto unido a que los ordenadores cuánticos no pueden resolver problemas que un PC actual sí consigue y que el software y los programas son radicalmente distintos hace pensar que, en efecto, ambos tipos de computación convivirán y se complementarán. Sin embargo estos ordenadores son especialmente útiles para simular sistemas físicos, sobre todo a nivel molecular.  De hecho, varias farmacéuticas ya los han empleado para el desarrollo de nuevos medicamentos. Otro sector en el que los ordenadores cuánticos son muy útiles es el de la optimización de procesos y el de la inteligencia artificial. 

A pesar de todo aún quedan muchos avances por hacer. Los ordenadores cuánticos se tratan de una tecnología emergente que requerirá de mucho tiempo para su estandarización y posiblemente no sea una tecnología concebida "para usar en casa", ya que lo más probable es que quede relegada a ámbitos profesionales.

Espero que te haya gustado la entrada de esta semana. Cuéntame que opinas en comentarios. Gracias por leerme un día más!!!! 😊😃