Computación cuántica (II): un nuevo paradigma

El modelo actual de ordenador no es el único posible. Existen otros paradigmas para diseñar un ordenador que son radicalmente diferentes al modelo “convencional”.

Un potencial cambio de paradigma se refiere a la electrónica digital: los ordenadores representan la información de forma discreta, usualmente con los valores 0 o 1. Para hacerlo, se consideran dos niveles de voltaje: el nivel “tierra” (0) y el voltaje proporcionado por la fuente de alimentación (1), con un cierto margen de tolerancia para cada nivel. A partir de estos valores pueden realizarse operaciones lógicas (las definidas en el álgebra de Boole, como AND, OR o NOT), que en la práctica se implementan como puertas lógicas mediante transistores que transmiten o bloquean el voltaje para reflejar el resultado de la operación.

Pero también hay dispositivos que utilizan un modelo de computación analógica, donde la información se almacena como una magnitud continua: no hay rangos de valores discretos (entre A y B, el valor es X), sino que se utiliza el valor completo de una magnitud. El uso de valores continuos introduce el problema del ruido: fluctuaciones imprevistas que pueden distorsionar este valor y que limitan el rango de valores observables y la precisión. Este problema también aparece en la electrónica digital, pero se resuelve con los márgenes de tolerancia definidos para cada nivel de voltaje. Cabe destacar que esta magnitud puede ser el voltaje en un cable, pero también podrían ser magnitudes mecánicas (p.ej. la contracción de un muelle elástico) o hidráulicas.

MONIAC, una computadora analógica de flujos monetarios que funciona mediante... agua. Fuente: Wikpedia. Licencia: Dominio público

MONIAC, una computadora analógica de flujos monetarios creada en 1949 y que calcula mediante… agua. Fuente: Wikipedia. Licencia: Dominio público

Así pues, no es necesario limitarse a propiedades electrónicas para implementar un ordenador: es posible cambiar a un paradigma basado en otras propiedades físicas. Y aquí es donde entra en juego la física cuántica.

La física cuántica es una rama de la Física que estudia las propiedades de la materia y la energía a escala subatómica. Un tema importante que hay que destacar es que no podemos tomar como referencia la mecánica clásica: a una escala subatómica, las leyes de la física se comportan de forma poco intuitiva. Por ejemplo, resulta difícil de entender que algo pueda describirse simultáneamente como una partícula o como una onda, o que sea imposible “copiar” el estado cuántico de una partícula a otra sin modificar el estado de la primera.

La física cuántica en relación con otros campos de la física. Fuente: Wikipedia. Licencia: CC BY-SA 3.0

La física cuántica en relación con otros campos de la física. Fuente: Wikipedia. Licencia: CC BY-SA 3.0

Entonces, ¿por qué motivo interesa tanto aplicar la cuántica al ámbito de la computación? El motivo es que teóricamente se ha demostrado que la computación cuántica permite resolver de forma eficiente algunos problemas complejos  cuya mejor solución conocida tiene un coste exponencial respecto al tamaño de la entrada. Por ejemplo:

  • El algoritmo de Shor permite descomponer un número entero N en sus factores primos en tiempo polinómico respecto al número de bits de N. Este resultado permitiría romper el criptosistema de clave pública RSA, cuya seguridad se basa en la dificultad de factorizar números enteros grandes.
  • Dada una función (que para nosotros es una caja negra) y una salida para dicha función, el algoritmo de Grover permite calcular cuál es la entrada que produce esa salida determinada. Si hay N entradas posibles, este cálculo se realiza en un tiempo proporcional a raíz cuadrada de N. Es decir, ¡no es necesario probarlas todas!

A parte de resolver este tipo de cálculos, los ordenadores cuánticos permiten simular ciertos procesos físicos de forma muy eficiente. Esta simulación cuántica puede llevar a avances en química, el diseño de nuevos materiales o de nuevos fármacos. Por otro lado, los principios de la física cuántica permiten diseñar nuevos sistemas criptográficos, permitiendo por ejemplo un intercambio de claves seguro. Estos criptosistemas cuánticos tiene la ventaja de no estar basados en la complejidad computacional de un problema (como pasa en criptosistemas como RSA) sino en propiedades físicas, por lo que no son susceptibles de ser “rotos” aunque se utilice para ello un computador cuántico.

Robert Clarisó es profesor de los Estudios de Informática, Multimedia y Telecomunicación y director del Máster Universitario en Ingeniería Informática. Su actividad docente se centra principalmente en los ámbitos de computación y desarrollo para móviles.

Antoni Pérez Navarro es profesor de los Estudios de Informática, Multimedia y Telecomunicación de la UOC, donde es el responsable de las asignaturas de Física y de las de Sistemas de Información Geográfica.

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