¿Qué son los Computadoras Cuánticas?

Las computadoras cuánticas tienen el potencial de aumentar dramáticamente la variedad y la precisión de los cálculos, abriendo nuevas aplicaciones para las computadoras y mejorando nuestros modelos de fenómenos físicos. Sin embargo, aunque las computadoras cuánticas están recibiendo una mayor cobertura en los medios, muchas personas aún no están seguras de cómo difieren las computadoras cuánticas de las computadoras regulares. Analicemos cómo funcionan las computadoras cuánticas, algunas de sus aplicaciones y su futuro próximo.

¿Qué es una Computadora Cuántica?

Antes de poder examinar significativamente cómo funcionan las computadoras cuánticas operan, necesitamos definir primero computadoras cuánticas. La definición breve de una computadora cuántica es la siguiente: una computadora, basada en la mecánica cuántica, que es capaz de realizar ciertos cálculos complejos con mucha mayor eficiencia que las computadoras tradicionales. Esa es una definición rápida de las computadoras cuánticas, pero queremos tomar algún tiempo para entender realmente qué separa a las computadoras cuánticas de las computadoras tradicionales.

Las computadoras regulares codifican la información con un sistema binario: representando cada bit de los datos como un uno o un cero. Series de unos y ceros se encadenan para representar trozos complejos de información como texto, imágenes y audio. Sin embargo, en estos sistemas binarios, la información solo puede estar almacenada como unos y ceros, lo que significa que hay un límite duro para cómo se representa y se interpreta los datos y que, a medida que los datos se vuelven más complejos, deben necesariamente convertirse en cadenas más largas de unos y ceros.

La razón por la que las computadoras cuánticas pueden almacenar y interpretar datos de manera más eficiente es porque no utilizan bits para representar los datos, sino que utilizan “qubits”. Los qubits son partículas subatómicas como fotones y electrones. Los qubits tienen un par de propiedades interesantes que los hacen útiles para nuevos métodos de cálculo. Los qubits tienen dos propiedades que los ingenieros de computación pueden aprovechar: superposiciones y entrelazamiento.

Las superposiciones cuánticas permiten que los qubits existan no solo en el estado “uno” o en el estado “cero”, sino a lo largo de un continuo entre estos estados, lo que significa que se puede contener más información utilizando qubits. Mientras tanto, el entrelazamiento cuántico se refiere a un fenómeno en el que se pueden generar pares de qubits y, si se altera un qubit, el otro qubit se altera de manera predecible. Estas propiedades cuánticas se pueden utilizar para representar y estructurar datos complejos de manera más eficiente.

Cómo Operan las Computadoras Cuánticas

Las “superposiciones” cuánticas obtienen su nombre del hecho de que pueden estar en más de una posición al mismo tiempo. Mientras que los bits solo pueden estar en dos posiciones, los qubits pueden existir en múltiples estados al mismo tiempo.

Gracias en parte a la existencia de superposiciones cuánticas, una computadora cuántica es capaz de calcular muchos resultados potenciales diferentes al mismo tiempo. Una vez que se realizan los cálculos, los qubits se miden, lo que crea un resultado final a través del colapso del estado cuántico a 0 o 1, lo que significa que el resultado puede ser interpretado por computadoras tradicionales.

Los investigadores y ingenieros de computación cuántica pueden alterar la posición de los qubits utilizando microondas o láseres de precisión.

Los ingenieros de computación pueden aprovechar el entrelazamiento cuántico para mejorar dramáticamente la potencia de procesamiento de las computadoras. El entrelazamiento cuántico se refiere al hecho de que dos qubits pueden estar vinculados de tal manera que cambiar uno de los qubits altera el otro qubit de manera confiable. No se entiende completamente por qué los qubits pueden establecer una relación como esta o cómo funciona exactamente este fenómeno, pero los científicos lo entienden lo suficientemente bien como para aprovecharlo potencialmente para las computadoras cuánticas. Debido al entrelazamiento cuántico, la adición de qubits extra a una máquina cuántica no solo duplica la potencia de procesamiento de una computadora, sino que puede escalar la potencia de procesamiento de manera exponencial.

Si todo esto ha parecido un poco abstracto, podemos describir cómo las superposiciones son útiles imaginando un laberinto. Para que una computadora normal intente resolver un laberinto, debe probar cada camino del laberinto hasta que encuentre una ruta exitosa. Sin embargo, una computadora cuántica podría explorar esencialmente todos los caminos diferentes al mismo tiempo, ya que no está atada a un estado determinado.

Todo esto es para decir que las propiedades del entrelazamiento y las superposiciones hacen que las computadoras cuánticas sean útiles porque pueden lidiar con la incertidumbre, son capaces de explorar más estados y resultados posibles. Las computadoras cuánticas ayudarán a los científicos e ingenieros a modelar y comprender mejor situaciones que son multifacéticas, con muchas variables.

¿Para qué se Utilizan las Computadoras Cuánticas?

Ahora que tenemos una mejor intuición de cómo operan las computadoras cuánticas, exploremos los posibles casos de uso para las computadoras cuánticas.

Ya hemos mencionado que las computadoras cuánticas se pueden utilizar para realizar cálculos tradicionales a un ritmo mucho más rápido. Sin embargo, la tecnología de computadoras cuánticas se puede utilizar para lograr cosas que pueden no ser posibles o son muy imprácticas con computadoras tradicionales.

Una de las aplicaciones más prometedoras e interesantes de las computadoras cuánticas es en el campo de la inteligencia artificial. Las computadoras cuánticas tienen el poder de mejorar los modelos creados por las redes neuronales, así como el software que las respalda. Google está utilizando actualmente sus computadoras cuánticas para ayudar en la creación de vehículos autónomos.

Las computadoras cuánticas también tienen un papel que desempeñar en el análisis de interacciones y reacciones químicas. Incluso las computadoras más avanzadas solo pueden modelar reacciones entre moléculas relativamente simples, lo que logran simulando las propiedades de las moléculas en cuestión. Las computadoras cuánticas, sin embargo, permiten a los investigadores crear modelos que tienen las propiedades cuánticas exactas de las moléculas que están investigando. Un modelado de moléculas más rápido y preciso ayudaría en la creación de nuevos fármacos terapéuticos y nuevos materiales para su uso en la creación de tecnología de energía, como paneles solares más eficientes.

Las computadoras cuánticas también se pueden utilizar para predecir mejor el clima. El clima es la confluencia de muchos eventos y las fórmulas utilizadas para predecir los patrones climáticos son complicadas, contienen muchas variables. Puede tomar un tiempo extremadamente largo realizar todos los cálculos necesarios para predecir el clima, durante el cual las condiciones climáticas en sí pueden evolucionar. Afortunadamente, las ecuaciones utilizadas para predecir el clima tienen una naturaleza ondulatoria que una computadora cuántica puede explotar. Las computadoras cuánticas pueden ayudar a los investigadores a crear modelos climáticos más precisos, que son necesarios en un mundo donde el clima está cambiando.

Las computadoras cuánticas y los algoritmos también se pueden utilizar para ayudar a garantizar la privacidad de los datos de las personas. La criptografía cuántica utiliza el principio de incertidumbre cuántica, donde cualquier intento de medir un objeto termina cambiando ese objeto. Los intentos de interceptar las comunicaciones influirían en la comunicación resultante y mostrarían evidencia de manipulación.

Futuro de la Computación Cuántica

La mayoría de los usos para las computadoras cuánticas se limitarán a académicos y empresas. Es poco probable que los consumidores/público en general obtengan teléfonos inteligentes cuánticos, al menos no pronto. Esto se debe a que se requiere equipo especializado para operar una computadora cuántica. Las computadoras cuánticas son muy sensibles a las perturbaciones, ya que incluso los cambios más mínimos en el entorno circundante pueden hacer que los qubits cambien de posición y caigan del estado de superposición. Esto se llama decoherencia, y es una de las razones por las que los avances en las computadoras cuánticas parecen venir tan lentamente en comparación con las computadoras regulares. Las computadoras cuánticas suelen necesitar operar en condiciones de temperaturas extremadamente bajas, aisladas de otros equipos eléctricos.

Incluso con todas las precauciones, el ruido todavía logra crear errores en los cálculos, y los investigadores están buscando formas de hacer que los qubits sean más confiables. Para lograr la supremacía cuántica, donde una computadora cuántica eclipsa completamente el poder de una supercomputadora actual, los qubits necesitan estar vinculados. Una computadora cuántica verdaderamente superior podría requerir miles de qubits, pero las mejores computadoras cuánticas de hoy en día solo pueden tratar con alrededor de 50 qubits. Los investigadores están haciendo constantemente avances hacia la creación de qubits más estables y confiables. Los expertos en el campo de las computadoras cuánticas predicen que los dispositivos cuánticos poderosos y confiables pueden estar aquí dentro de una década.