¿Qué es la computación cuántica?

¿Para qué sirve? ¿En qué fase estamos?

Suena a ciencia ficción pero no lo es, es real y ha venido para quedarse y formar parte de ese set de herramientas que tenemos para construir nuestra vida. La computación cuántica es un paradigma de computación basado en sistemas físicos cuánticos que permiten realizar cualquier cálculo pero, ¿qué es un sistema cuántico? y más importante, ¿qué es la computación?

La computación es el conjunto de conocimientos científicos y técnicas que hacen posible el tratamiento automático de la información mediante el uso de ​computadoras​. Dicho de otra forma, la computación crea programas informáticos que nos ayudan a procesar un gran volumen de información en el mínimo tiempo posible y de manera automática. Esto incluye grandes cálculos de trayectorias de astros por el espacio o mostrar vídeos de gatitos precipitándose por el borde de una cama. Los fines son totalmente distintos pero el método y los conceptos subyacentes son los mismos. Entonces, si ya disponemos de tales maravillas audiovisuales, ¿qué pinta la cuántica en todo esto?

Las computadoras actuales tienen la capacidad teórica de calcular casi cualquier cosa que se pueda imaginar pero hay un gran inconveniente, y es que algunos de estos cálculos pueden llevar días, semanas, años o varias veces ​la edad del universo​ (y no, no estoy loco, esto es así).

¿Recuerdan la fábula del ajedrez y el grano de arroz? Hagamos una analogía donde los granos de arroz son datos que debemos procesar. “Tras agradar a un gran rey mostrándole el ajedrez, un campesino pidió como recompensa un grano de arroz por la primera casilla del tablero, dos por la segunda, cuatro por la tercera y así hasta las sesenta y cuatro casillas del tablero”. Esto da 18.446.744.073.709.551.616 granos de arroz​ por la última casilla (264) más todos los granos de las casillas anteriores. Naturalmente no existe tal cantidad de arroz.

 

que es la computación cuántica

Pues bien, pensando en datos, hay problemas en los cuales las computadoras están obligadas a procesar tal cantidad de granos de arroz e incluso más, uno por uno y sin dejarse nada en el camino. En los casos en los que hay pocas casillas (10 por ejemplo) el tiempo empleado en procesar todos esos granos de arroz es asumible pero por cada casilla que añadimos se duplica la cantidad de granos de arroz a procesar de manera que, con un par de casillas más, pasamos de 1024 a 4096 granos de arroz. Este crecimiento exponencial tan abrupto de la cantidad de información que hay que procesar afecta directamente al tiempo necesario de trabajo, tiempo que no siempre tenemos. Naturalmente hay ardides matemáticos para simplificar un poco la cantidad de granos de arroz, pero no es suficiente. Y aquí es donde entra la cuántica y sus propiedades “divinas”.

Albert Einstein era detractor de la teoría cuántica y se le atribuye la frase “me gusta pensar que cuando no miro a la Luna esta sigue en su sitio”. ¿Qué quiere decir esto? Einstein decía que todos los fenómenos físicos se podían predecir con total exactitud, decía que el universo era determinista​. Años más tarde se ha demostrado que esto no es así. A microescala es imposible predecir cualquier fenómeno físico con exactitud, siempre hay una probabilidad de que pase A y otra de que pase B, es decir ​el universo es indeterminista.​ La paradoja del gato de ​Schrödinger ​es un buen ejemplo literario de ello y el experimento de la ​doble rendija​ una prueba física de este fenómeno. No vamos a entrar en detalle, ya que no es necesario, y como dijo Richard Feynman “Creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica”. ¿Y qué tiene que ver la computación en todo esto? Aprovechando estas propiedades tan peculiares a microescala, se abre un abanico ​teórico​ por el cual procesar todos estos granos de arroz pasa a ser pan comido ya que en vez de procesar los granos de arroz es posible procesar las casillas de manera que solo habría que hacer 64 cálculos en vez de pasar por esa cantidad ingente de granos de arroz. Esto es posible debido a que estas computadoras son capaces de procesar casi toda la información en “paralelo”.

Para explicar este paralelismo vamos a retorcer la analogía de los datos y el arroz de una manera un tanto peculiar. Imaginen que solo pudiéramos guardar los granos de arroz en una superficie ocupando solo el suelo de una habitación lo suficientemente grande. Parece absurdo pero en la realidad las computadoras clásicas solo son capaces de guardar la información en dos dimensiones, cero y uno. Algunas tienen un suelo más grande, otras más pequeño pero tienen la misma limitación, las dos dimensiones. En cambio las computadoras cuánticas son capaces de almacenar los granos de arroz en tres dimensiones (tal y como hacemos en la realidad con un almacén cualquiera ya que usar solo el suelo es ineficiente). De hecho las computadoras cuánticas pueden almacenar arroz en más de tres dimensiones, tantas como permita la máquina real (20 hasta ahora). Por lo tanto si tuviéramos una computadora cuántica de 64 dimensiones, almacenar y procesar todos esos granos de arroz pasa a ser una tarea más eficiente.

Hay un inconveniente y es que esta tecnología se encuentra actualmente en una fase muy primitiva y apenas se acaban de crear las primeras computadoras cuánticas de manos de grandes multinacionales tecnológicas o gobiernos de grandes potencias mundiales. No es posible a día de hoy tener un aparato de estos en nuestra sala de estar y mucho menos llevarlo en el bolsillo. Se necesitan grandes instalaciones y mucha energía para alimentar estos monstruos de la tecnología. Por supuesto con los años la técnica irá mejorando.

¿Para qué sirve la computación cuántica?

Actualmente las computadoras cuánticas se utilizan para realizar experimentos científicos, explorar los límites de las mismas, simular pequeños sistemas cuánticos o probar los algoritmos cuánticos que tantos años llevan en el cajón a la espera de una máquina real en la que ejecutarlos. Pues lo cierto es que ya existen y uno de estos algoritmos es el famoso ​algoritmo de Shor​, que se encarga de descomponer un número en sus factores primos en muy poco tiempo. Esto tendrá una influencia crucial ya que se podría emplear para romper la seguridad que hoy día usamos en nuestras comunicaciones por internet.

Pero que no cunda el pánico, las computadoras cuánticas todavía son muy primitivas y no es posible romper la seguridad de internet por el momento. Además mientras crece esta tecnología está en marcha el desarrollo de nuevas tecnologías de seguridad en internet para que podamos seguir comprando por internet o conspirando para conquistar el mundo sin que nadie lo sepa.

¿En qué fase estamos de la computación cuántica y qué deparará el futuro?

Podría decirse que la computación cuántica se encuentra como en los años 50 estaba la computación clásica. Grandes máquinas que ocupan un edificio entero, un consumo de energía desmesurado y una gran barrera intelectual para comprender y utilizar esta tecnología. Actualmente la utilizamos para experimentos científicos pero no sabemos a dónde puede llegar en el futuro y quién sabe, a lo mejor nos permite ver nuestras series favoritas en VR. Así que toca esperar y ver qué caminos se abren ante otra gran maravilla del intelecto humano.

¿Se puede probar la tecnología de la computación cuántica?

Sí. Existen varios portales web para entrar en este mundillo y aprender sobre computación cuántica, así como varios simuladores disponibles para el público (IBM Q Experience, Microsoft Quantum Development Kit). Pero una vez más hay que destacar la necesidad de tener bastantes conocimientos previos de álgebra e informática para entender los fundamentos que sustentan este paradigma y aprovecharlos al máximo.

Conclusión

En definitiva estamos ante una tecnología que lleva mucho años esperando a ser implementada y que de momento solo nos puede ofrecer avances en el ámbito científico. Tardará mucho tiempo en formar parte de las herramientas de trabajo habituales de empresas e informáticos y mucho más en llegar a los hogares, por lo que hasta entonces habrá que contar los granos de arroz uno a uno.

Acerca de: Daniel David Abellán

Daniel David Abellán

Desarrollador web/backend. Entusiasta de la ciencia en general y las matemáticas en particular.