Beatriz Elena García Nova
Colaboradora
¿Cómo se ve un computador cuántico?, ¿cuáles son sus diferencias o semejanzas con los computadores que se utilizan cotidianamente?, ¿qué es y para qué la supremacía cuántica? La computación cuántica genera tantas inquietudes como posibilidades y, tras esas posibilidades, inversiones de los Estados Unidos, China, Europa y otras potencias. Si bien los alcances pueden escaparse a la imaginación, organizaciones como IBM y Google tienen sus esfuerzos puestos en liderar avances al respecto.
Por ejemplo, “Google lleva 13 años en un proyecto que podría tomar otra década o más en dar frutos”, se lee en la revista
MIT Technology Review como preámbulo a la entrevista que les concedió exclusivamente el primer ejecutivo de Google, Sundar Pichai, para hablar del tema. Eso fue el 23 de octubre, el mismo día en el que en un artículo académico en la revista
Nature se hizo oficial el anuncio que se volvió protagonista de los titulares más recientes: “Google alcanzó la supremacía cuántica”.
Supremacía, dado que por primera vez la humanidad logra algo semejante, imposible para un computador tradicional. Google —con su nuevo procesador, llamado
Sycamore— calculó en 200 segundos lo que le tomaría 10.000 años a
Summit, la supercomputadora más rápida del mundo.
Cuántico vs. clásico
Las ciencias computacionales tienen entre sus enfoques resolver procesos de computación científica de alto rendimiento y cálculos matemáticos que, de otra manera, probablemente no se podrían resolver.
Google —con su nuevo procesador, llamado
Sycamore— calculó en 200 segundos lo que le tomaría 10.000 años a Summit, la supercomputadora más rápida del mundo.
Hacer modelos matemáticos de un huracán o de fenómenos de alta complejidad es cada vez más viable gracias a supercomputadores como Apolo, en EAFIT, u otros de mayor capacidad. Sin embargo, hay procesos imposibles para estas máquinas, como intentar factorizar un número de mil dígitos (por ejemplo, si se quisiera intentar descifrar una clave criptográfica), esto tardaría un tiempo equivalente a la edad del universo; mientras que usando computación cuántica esa tarea tomaría dos días y medio, dada la eficiencia exponencialmente superior de esta última.
Imagen: Shutterstock
Si bien ambas tecnologías se dedican a la computación, “no se parecen en nada un computador cuántico y uno clásico”, resalta el docente Juan Guillermo Lalinde Pulido, ingeniero de sistemas, matemático y doctor en Telecomunicaciones. Los equipos cuánticos no son pensados para que una persona interactúe y corra un programa utilizando un teclado, una pantalla, ni nada por el estilo. Ni siquiera los supercomputadores requieren de estos periféricos, añade él, quien también es profesor del Departamento de Informática y Sistemas de EAFIT.
Por su parte, Mario Elkin Vélez Ruiz, físico y magíster en Física, concuerda con que “la mecánica cuántica no tiene análogos en nuestro mundo, los entes que están en ese dominio (partículas, ondas) tienen un comportamiento radicalmente distinto al mundo en el que vivimos”. Vélez, profesor del Departamento de Ciencias Físicas de EAFIT, explica que en el mundo macroscópico la comprensión de realidad es basada en lo que da la experiencia, pero que ese concepto de realidad cambia radicalmente al pasar al micromundo cuántico.
En computación cuántica hay características (ver Partículas informativas) que no tienen igual en la computación cotidiana. Entre otras cosas, para hablar del mundo que escapa a esta vista, no se consideran los bits —unidad fundamental de la computación clásica—, sino los cúbits. Además, por extraño que parezca, hay teorías cuánticas que explican que una onda o partícula puede estar en muchos estados a la vez, lo que se conoce con el concepto de superposición.
La computación cuántica podría aportar a diversos fines, principalmente a la inteligencia artificial. Serviría al diseño de fármacos, la genómica, la bioinformática y a problemas de cifrado de la información, criptografía, codificación y telecomunicaciones.
Para explicar, el profesor Juan Guillermo comienza por repasar: “En computación tradicional se trabaja en base binaria, que consiste en hacer las operaciones lógicas y matemáticas a través de dos dígitos únicamente (1 y 0). Un bit es el elemento con el que se hacen las operaciones”.
En computación cuántica, agrega usando lápiz y papel, se habla de un cúbit, el cual puede tener dos estados a la vez (1, 0 o ambos al mismo tiempo). En otras palabras, puede estar “como en un limbo”, según se expresa en un episodio de
Infinite series, una producción del Servicio Público de Radiodifusión de Estados Unidos (PBS).
Aunque suena complejo, el solo hecho de observar un cúbit determina su estado, o en palabras del investigador: “cuando lo mides se materializa en uno de los dos estados, puede dar 1 o 0, pero cuando no lo has medido puede estar en ambos, en una superposición de estados”.
Otra de las propiedades de la en singular es su entrelazamiento que, según resume el profesor Mario Elkin, implica que aunque las partículas se separen se establece una relación que persiste, independiente de estas (ver Partículas informativas).
¿Para qué aplica?
Al profesor Mario Elkin le preocupa que se trate de aplicar conceptos de la cuántica, por ejemplo, en algo que llaman “metasofrología cuántica”, o que aludiendo a supuestos cuánticos se prometan sanaciones de personas mediante una fotografía desde la distancia: “El problema es sacar a la cuántica de su dominio de aplicabilidad y llevarlo a otro donde no aplica”, afirma.
Vélez aclara que si bien se puede hablar de aplicaciones de la cuántica en el mundo macroscópico, el resultado final de la tecnología que se ve no es un asunto cuántico. Por ejemplo, en el caso de pantallas de televisión o computadores hechos con puntos cuánticos, solo se podría decir que es cuántico el dispositivo inicial que son esos puntos que se manipularon de formas muy complejas, con una cantidad limitada de partículas.
La computación cuántica podría aportar a diversos fines, principalmente a la inteligencia artificial. Serviría al diseño de fármacos, la genómica, la bioinformática y a problemas de cifrado de la información, criptografía, codificación y telecomunicaciones.
Lalinde expone que “en el sector financiero están invirtiendo mucho en este tipo de tecnología porque la optimización de ciertos problemas del sector financiero se traduce en miles de millones de dólares”.
Por eso, el mundo tiene los ojos puestos en estos desarrollos y se usan aportes de diversas áreas del conocimiento. “Desde la ciencia trato de entender cómo se comporta la naturaleza, en la ingeniería utilizo lo que sé del funcionamiento de la naturaleza para lograr un comportamiento concreto”, ejemplifica el profesor Juan Guillermo.
En EAFIT, los docentes desde ambas áreas comentan el propósito de la Universidad de ahondar en sus cursos sobre estas innovaciones computacionales: “Tenemos una línea de investigación en mecánica cuántica computacional y vamos a proponer una línea de énfasis en computación e información cuántica para los estudiantes. En principio para los de Ingeniería Física y los ingenieros matemáticos, pero con posibilidad de que otros estudiantes puedan estar si tienen los prerrequisitos”.
Mecánica cuántica: Conceptos como la ecuación de Schrödinger, la superposición de estados o el entrelazamiento cuántico son de gran importancia en la mecánica cuántica, rama de la física que estudia la naturaleza a escalas atómicas y subatómicas. Se basa en que todas las formas de energía se liberan en unidades discretas o paquetes llamados cuantos.
Bit: Unidad de información fundamental en computación clásica que sirve de base para ejecutar algoritmos o funciones lógicas. Un bit representa solamente un dígito entre dos posibles (1, 0. Verdadero, falso. Sí, no).
Cúbit (bit cuántico): Unidad de información fundamental para la computación cuántica. Puede representar 1, 0 o ambos en simultánea. Entrelazamiento cuántico (enredo o enmarañamiento): Una de las propiedades más misteriosas del mundo cuántico y que más aplicaciones tiene. Es un fenómeno que permite que una partícula influencie el estado de otra instantáneamente, aunque estén a años luz de distancia. Este fenómeno abre la puerta para que se realicen múltiples cálculos simultáneamente.
Superposición de estados: Una partícula puede estar en una superposición de estados. Es decir, en varios estados a la vez.
Decoherencia cuántica: Problema fundamental en la mecánica cuántica. Cuando un cúbit interacciona con el medio (por ejemplo, cuando se mide) pierde sus propiedades cuánticas y se convierte en un ‘bit’ convencional.
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Retos y riesgos
No es nada fácil lograr la eficiencia en consumo de energía y en procesamiento de información infinitamente superior que promete la computación cuántica. Implica construir un computador que pueda trabajar con átomos y moléculas, y vencer obstáculos muy particulares que solo aplican a esa escala, como la decoherencia cuántica.
Esto tiene que ver con que cuando se mide en cuántica, se afecta radicalmente lo medido, explica el profesor Mario Elkin. “Por poner una regla sobre una superficie para medirla, no afecto esa superficie, ni por poner un termómetro afecto lo que mido. En cuántica sí afecta la intervención del aparato de medida, con lo que mido produzco un desastre a nivel atómico”, asegura.
Así que para que nada perturbe los cúbits se requiere aislar el sistema completamente. Es necesario lograr que los computadores cuánticos estén a temperatura de cero absoluto (-273º Celsius) y en condiciones de vacío (que no es simplemente falta de aire, sino una condición retadora para los físicos).
En la imagen del computador cuántico que dio a conocer Google se observa una gran máquina, pero realmente el computador cuántico es el procesador
Sycamore, el resto de la infraestructura es para lograr condiciones necesarias, como las mencionadas, para poder computar con ese procesador.
A pesar de la expectativa con la que se continuará después de los últimos anuncios, Vélez también advierte posibles consecuencias peligrosas de los avances en computación cuántica: una podría ser romper protocolos criptográficos. Cuando
hackear una clave criptográfica de mil dígitos sea viable, “toda la criptografía que tenemos ahora, con la que hacemos comercio electrónico, dejará de ser útil”, dice.
También agrega que si bien hay mucho ruido de quienes están trabajando en estas nuevas máquinas, porque eso atrae inversión, y que actualmente no es tan fácil que quien tenga un computador cuántico pueda cambiar todos los códigos criptográficos, ya se habla de criptografía cuántica y de algoritmos de criptografía postcuánticos, así que para él ese panorama no se queda en el plano de la ficción.