Cómo la mecánica cuántica cambiará la industria de la tecnología

Richard Feynman dijo una vez: “Si crees que entiendes la mecánica cuántica, entonces no entiendes la mecánica cuántica”. Aunque eso puede ser cierto, no significa que no podamos intentarlo. Después de todo, ¿dónde estaríamos sin nuestra curiosidad innata?

Para entender el poder de lo desconocido, vamos a desentrañar los conceptos clave detrás de la física cuántica: dos de ellos, para ser exactos (¡uf!). Todo es bastante abstracto, en realidad, pero eso es una buena noticia para nosotros, porque no necesitas ser un físico teórico ganador del Premio Nobel para entender qué está sucediendo. Y qué está sucediendo! Bueno, vamos a descubrirlo.

Estableciendo las bases

Comenzaremos con un experimento mental breve. El físico austríaco Erwin Schrödinger (SDGR ) quiere que imagines un gato en una caja sellada. Hasta ahora, todo bien. Ahora imagina un frasco que contiene una sustancia letal dentro de la caja. ¿Qué le pasó al gato? No podemos saber con certeza. Así, hasta que se observe la situación, es decir, abrimos la caja, el gato está vivo y muerto al mismo tiempo, o en términos más científicos, está en una superposición de estados. Este famoso experimento mental se conoce como la paradoja del gato de Schrödinger, y explica perfectamente uno de los dos fenómenos principales de la mecánica cuántica.

La superposición dicta que, al igual que nuestro gato querido, una partícula existe en todos los estados posibles hasta el momento en que se mide. “Observar” la partícula destruye inmediatamente sus propiedades cuánticas, y voilà, una vez más está gobernada por las reglas de la mecánica clásica.

Ahora, las cosas se ponen un poco más complicadas, pero no te desanimes: incluso Einstein se sintió abrumado por la idea. Descrita por el propio hombre como “acción espeluznante a distancia”, la entrelazamiento es una conexión entre un par de partículas: una interacción física que resulta en su estado compartido (o falta de él, si nos basamos en la superposición).

La entrelazamiento dicta que un cambio en el estado de una partícula entrelazada desencadena una respuesta inmediata y predecible de la partícula restante. Para ponernos en perspectiva, lancemos dos monedas entrelazadas al aire. Luego, observemos el resultado. ¿La primera moneda aterrizó en cara? Entonces la medición de la moneda restante debe ser cruz. En otras palabras, cuando se observan, las partículas entrelazadas se contrarrestan mutuamente. No hay necesidad de tener miedo, sin embargo: la entrelazamiento no es muy común. Todavía no, al menos.

El héroe probable

“¿Cuál es el punto de todo este conocimiento si no puedo usarlo?”, podrías preguntar. Cualquiera que sea tu pregunta, es probable que una computadora cuántica tenga la respuesta. En una computadora digital, el sistema requiere bits para aumentar su capacidad de procesamiento. Así, para duplicar la capacidad de procesamiento, simplemente duplicarías la cantidad de bits: esto no se parece en nada a las computadoras cuánticas.

Una computadora cuántica utiliza qubits, la unidad básica de información cuántica, para proporcionar capacidades de procesamiento sin precedentes, incluso para los supercomputadoras más potentes del mundo. ¿Cómo? Los qubits superpuestos pueden abordar simultáneamente una serie de resultados potenciales (o estados, para ser más consistentes con nuestros segmentos anteriores). En comparación, una computadora digital solo puede procesar un cálculo a la vez. Además, a través de la entrelazamiento, podemos amplificar exponencialmente la potencia de una computadora cuántica, particularmente en comparación con la eficiencia de los bits tradicionales en una máquina digital. Para visualizar la escala, considera la gran cantidad de capacidad de procesamiento que proporciona cada qubit, y ahora duplica eso.

Nada es perfecto

Pero hay un inconveniente: incluso las más ligeras vibraciones y cambios de temperatura, a los que los científicos se refieren como “ruido”, pueden hacer que las propiedades cuánticas se descompongan y eventualmente desaparezcan por completo. Aunque no puedes observar esto en tiempo real, lo que experimentarás es un error computacional. La descomposición de las propiedades cuánticas se conoce como decoherencia, y es uno de los mayores obstáculos cuando se trata de tecnología que depende de la mecánica cuántica.

En un escenario ideal, un procesador cuántico está completamente aislado de su entorno. Para hacerlo, los científicos utilizan frigoríficos especializados, conocidos como refrigeradores criogénicos. Estos refrigeradores criogénicos son más fríos que el espacio interestelar, y permiten que nuestro procesador cuántico conduzca electricidad con prácticamente cero resistencia. Esto se conoce como un estado superconductor, y hace que las computadoras cuánticas sean extremadamente eficientes. Como resultado, nuestro procesador cuántico requiere solo una fracción de la energía que utilizaría un procesador digital, generando una cantidad exponencialmente mayor de potencia y mucho menos calor en el proceso. En un escenario ideal, al menos.

Un (nuevo) mundo de posibilidades

La predicción del clima, la modelización financiera y molecular, la física de partículas… las posibilidades de aplicación para la computación cuántica son enormes y prósperas.

Aún así, una de las perspectivas más tentadoras es quizás la de la inteligencia artificial cuántica. Esto se debe a que los sistemas cuánticos sobresalen en el cálculo de probabilidades para muchas opciones posibles: su capacidad para proporcionar retroalimentación continua a software inteligente es insuperable en el mercado actual. El impacto estimado es imposible de medir, abarcando campos e industrias: desde la IA en la industria automotriz hasta la investigación médica. Lockheed Martin (LMT ), el gigante aeroespacial estadounidense, se dio cuenta rápidamente de los beneficios y ya está liderando con su computadora cuántica, utilizando para probar software de piloto automático. Toma nota.

Los principios de la mecánica cuántica también se utilizan para abordar problemas de ciberseguridad. La criptografía RSA (Rivest-Shamir-Adleman), uno de los métodos de cifrado de datos más utilizados del mundo, se basa en la dificultad de factorizar (muy) grandes números primos. Aunque esto funciona con computadoras tradicionales, que no son particularmente efectivas para resolver problemas multifactoriales, las computadoras cuánticas pueden descifrar fácilmente estos cifrados gracias a su capacidad única para calcular múltiples resultados simultáneamente.

Teóricamente, la distribución de claves cuánticas se encarga de esto con un sistema de cifrado basado en superposición. Imagina que estás tratando de transmitir información confidencial a un amigo. Para hacerlo, creas una clave de cifrado utilizando qubits, que luego se envían al destinatario a través de un cable óptico. Si los qubits codificados hubieran sido observados por un tercero, tanto tú como tu amigo habrían sido notificados por un error inesperado en la operación. Sin embargo, para maximizar los beneficios de la distribución de claves cuánticas, las claves de cifrado tendrían que mantener sus propiedades cuánticas en todo momento. Más fácil de decir que de hacer.

Alimento para el pensamiento

No se detiene ahí. Las mentes más brillantes de todo el mundo están tratando constantemente de utilizar la entrelazamiento como un modo de comunicación cuántica. Hasta ahora, los investigadores chinos lograron transmitir con éxito pares de fotones entrelazados a través de su satélite Micius a una distancia récord de 745 millas. Esa es la buena noticia. La mala noticia es que, de los 6 millones de fotones entrelazados transmitidos cada segundo, solo un par sobrevivió al viaje (gracias, decoherencia). Un logro increíble, sin embargo, este experimento describe el tipo de infraestructura que podríamos utilizar en el futuro para garantizar las redes cuánticas.

La carrera cuántica también vio un avance reciente de QuTech, un centro de investigación en la Universidad Técnica de Delft en los Países Bajos: su sistema cuántico opera a una temperatura más de un grado más cálida que el cero absoluto (-273 grados Celsius).

Mientras que estos logros pueden parecer insignificantes para ti y para mí, la verdad es que, intento tras intento, esta investigación innovadora nos acerca un paso más a la tecnología del mañana. Una cosa sigue siendo inmutable, sin embargo, y es la cruda realidad de que aquellos que logren aprovechar con éxito el poder de la mecánica cuántica tendrán supremacía sobre el resto del mundo. ¿Cómo crees que la utilizarán?