Todo lo que necesita saber sobre la nueva computación cuántica y su presencia en el mundo

Hace cuatro décadas, los ingenieros informáticos teorizaban que la alucinante mecánica de la física cuántica podría aprovecharse para crear un nuevo tipo de computadora que sea exponencialmente más poderosa que las máquinas convencionales.

Una serie de avances han puesto ahora al alcance de la mano la “utilidad cuántica”, y los ingenieros han mostrado computadoras capaces de realizar cálculos de una complejidad que confundiría a las supercomputadoras más poderosas. Ha comenzado una carrera para desarrollar máquinas más grandes que puedan modelar con precisión el comportamiento de fenómenos complejos del mundo real y dar un salto adelante en campos tan variados como el desarrollo de fármacos, la modelización financiera y la inteligencia artificial.

¿Cuál es el atractivo de las computadoras cuánticas?

Pueden hacer cosas que las computadoras clásicas no pueden. Google reveló en abril que una de sus computadoras cuánticas había resuelto un problema en segundos que le habría llevado 47 años a la supercomputadora más poderosa del mundo.

A las computadoras cuánticas experimentales generalmente se les asignan tareas que una computadora convencional tardaría demasiado en realizar, como simular la interacción de moléculas complejas para el descubrimiento de fármacos.

Su mayor potencial es modelar sistemas complejos que involucran una gran cantidad de partes móviles cuyo comportamiento cambia a medida que interactúan, como predecir el comportamiento de los mercados financieros, optimizar las cadenas de suministro y operar los grandes modelos de lenguaje utilizados en la inteligencia artificial generativa.

No se espera que sean de mucha utilidad en el trabajo laborioso pero más simple que realizan la mayoría de las computadoras actuales: procesar un número más limitado de entradas aisladas de forma secuencial a escala masiva.

¿Quién las construye?

La empresa canadiense D-Wave Systems Inc. se convirtió en 2011 en la primera en vender computadoras cuánticas para resolver problemas de optimización. International Business Machines Corp. , Google de Alphabet Inc., Amazon Web Services y numerosas nuevas empresas han creado computadoras cuánticas funcionales. Más recientemente, empresas como Microsoft Corp. han logrado avances en la construcción de supercomputadoras cuánticas escalables y prácticas.

Intel Corp. comenzó a enviar un chip cuántico de silicio a los investigadores con transistores conocidos como qubits (bits cuánticos) que son hasta un millón de veces más pequeños que otros tipos. Microsoft y otras empresas, incluida la startup Universal Quantum, esperan construir una supercomputadora cuántica en los próximos diez años. China está construyendo un Laboratorio Nacional de Ciencias de la Información Cuántica valorado en 10.000 millones de dólares como parte de un gran impulso en este campo.

¿Cómo funcionan las computadoras cuánticas?

Utilizan circuitos diminutos para realizar cálculos, al igual que las computadoras tradicionales. Pero hacen estos cálculos en paralelo, en lugar de secuencialmente, que es lo que los hace tan rápidos. Las computadoras normales procesan información en unidades llamadas bits, que pueden representar uno de dos estados posibles (0 o 1) que corresponden a si una parte del chip de la computadora llamada puerta lógica está abierta o cerrada.

Antes de que una computadora tradicional pase a procesar la siguiente pieza de información, debe haber asignado un valor a la pieza anterior. Por el contrario, gracias al aspecto probabilístico de la mecánica cuántica, a los qubits de los ordenadores cuánticos no es necesario asignarles un valor hasta que el ordenador haya terminado todo el cálculo.

Esto se conoce como "superposición". Entonces, mientras que tres bits en una computadora convencional solo podrían representar una de ocho posibilidades (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 y 111), una computadora cuántica de tres qubits puede procesarlas todas al mismo tiempo. En teoría, una computadora cuántica con 4 qubits puede manejar 16 veces más información que una computadora convencional del mismo tamaño y seguirá duplicando su potencia con cada qubit que se agregue. Por eso un ordenador cuántico puede procesar exponencialmente más información que un ordenador clásico.

Por qué Quantum será más rápido

¿Cómo devuelve un resultado?

Al diseñar una computadora estándar, los ingenieros dedican mucho tiempo a intentar garantizar que el estado de cada bit sea independiente del de todos los demás bits. Pero los qubits están entrelazados, lo que significa que las propiedades de uno dependen de las propiedades de los qubits que lo rodean.

Esto es una ventaja, ya que la información se puede transferir más rápido entre qubits mientras trabajan juntos para llegar a una solución. A medida que se ejecuta un algoritmo cuántico, los resultados contradictorios (y por lo tanto incorrectos) de los qubits se anulan entre sí, mientras que los resultados compatibles (y por lo tanto probables) se amplifican. Este fenómeno, llamado coherencia, permite a la computadora escupir la respuesta que considera más probable que sea correcta.

¿Cómo se hace un qubit?

En teoría, cualquier cosa que exhiba propiedades de la mecánica cuántica que puedan controlarse podría usarse para crear qubits. IBM, D-Wave y Google utilizan pequeños bucles de cable superconductor. Otros usan semiconductores y algunos usan una combinación de ambos.

Algunos científicos han creado qubits manipulando iones atrapados, pulsos de fotones o el espín de electrones. Muchos de estos enfoques requieren condiciones muy especializadas, como temperaturas más frías que las que se encuentran en el espacio profundo.

¿Cuántos qubits se necesitan?

Lotes. Aunque los qubits pueden procesar exponencialmente más información que los bits clásicos, su naturaleza inherentemente incierta los hace muy propensos a errores. Los errores se introducen en los cálculos de los qubits cuando pierden coherencia entre sí. Fuera del laboratorio, los científicos sólo han podido mantener la coherencia de los qubits durante fracciones de segundo; en muchos casos, un período de tiempo demasiado corto para ejecutar un algoritmo completo.

Los teóricos están trabajando para desarrollar algoritmos que puedan corregir algunos de estos errores. Pero una parte inevitable de la solución es agregar más qubits. Los científicos estiman que una computadora necesita millones –si no miles de millones– de qubits para ejecutar de manera confiable programas adecuados para uso comercial.

Mantener juntos un número suficiente de ellos es el principal desafío. A medida que una computadora aumenta de tamaño, emite más calor, lo que hace más probable que los qubits pierdan coherencia. El récord actual de qubits conectados es 1.180, logrado por la startup de California Atom Computing en octubre de 2023, más del doble del récord anterior de 433, establecido por IBM en noviembre de 2022.

¿Cuándo recibiré mi computadora cuántica?

Depende de para qué quieras usarlo. Los académicos ya están resolviendo problemas en máquinas de 100 qubits a través de la plataforma IBM Quantum basada en la nube, que el público en general puede probar (si sabe cómo desarrollar código cuántico). Los científicos pretenden crear en la próxima década un ordenador cuántico llamado “universal” adecuado para aplicaciones comerciales. Una advertencia sobre el enorme poder de resolución de problemas de las computadoras cuánticas es su potencial para descifrar sistemas de cifrado clásicos.

Quizás el mejor indicador de cuán cerca estamos de la computación cuántica es que los gobiernos están firmando directivas y las empresas están invirtiendo millones de dólares para proteger los sistemas informáticos heredados contra el descifrado de las máquinas cuánticas.