Computación cuántica (III): de los qubits a los computadores cuánticos

La unidad de información en el mundo cuántico es el qubit (del inglés “quantum bit”). Un qubit puede tener los estados 0 y 1, pero a diferencia de los bits clásicos, también puede tener una superposición de estos estados. Siendo poco rigurosos, podemos ver estas superposiciones como estados intermedios entre 0 y 1 (en realidad, son combinaciones de dichos valores).

Qubit de IBM implementado mediante bobinas superconductoras. Fuente: Flickr (IBM Research). Licencia: CC BY ND 2.0

Qubit desarrollado por IBM mediante el uso de bobinas superconductoras. Fuente: Flickr (IBM Research). Licencia: CC BY ND 2.0

Para construir un computador cuántico, es necesario resolver diversos retos técnicos, el primero de los cuales es: ¡cómo “construir” un qubit!. Además, hay que representar los qubits, operar con ellos, definir el valor inicial de los qubits al inicio del cálculo y medir el resultado final. Es decir, el qubit deberá corresponder a alguna propiedad física de una partícula, y todas las manipulaciones sobre los qubits deberán poder realizarse alterando dicha propiedad de alguna forma. Además, deberá ser posible fijar un valor concreto para dicha propiedad (para inicializar los qubits) y medir dicha propiedad para obtener el resultado al final del cálculo.

Fijémonos en la paradoja que todo esto comporta. Por un lado, necesitamos disponer de un control muy preciso sobre las propiedades que se usan para codificar los qubits; pero por otro, también nos interesa que nuestro computador esté lo más aislado posible, para garantizar que dichas propiedades no son alteradas por interferencias externas. Estas interferencias, denominadas ruido cuántico, nunca pueden eliminarse del todo al tratarse de fenómenos a escala subatómica. Por eso, es necesario disponer de mecanismos de redundancia para garantizar la fiabilidad del resultado, igual que se usan códigos correctores de errores para detectar y/o reparar errores de comunicación. Este punto es especialmente importante, ya que la probabilidad intrínseca a la mecánica cuántica hace que el resultado no sea determinista y a menudo se puede leer en algunas revistas científicas que se ha conseguido el resultado correcto en un cierto tanto por ciento de los intentos.

Chip construido por D-Wave Systems, fabricante de computadores cuánticos. Fuente: Wikipedia. Licencia: CC BY 3.0

Chip construido por D-Wave Systems, fabricante de computadores cuánticos. Fuente: Wikipedia. Licencia: CC BY 3.0

Existen diferentes tecnologías que permiten resolver este rompecabezas. Una de ellas es la trampa iónica: usar iones capturados en un tubo al vacío mediante campos eléctricos o magnéticos; otra es el uso de uniones Josephson: bobinas superconductoras con una capa aislante de óxido de aluminio entre ellas, que tienen la característica, dicho burdamente, de crear una corriente cuantizada; pero también las hay más “visibles”, como la que usa la polarización de fotones (esta tiene especial gracia por recordar los computadores ópticos en los que tanto se trabajaba y que tanto prometían a finales del s.XX). Como puede verse, son aproximaciones muy diferentes, cada una con sus ventajas e inconvenientes.

Hoy en día no está claro qué tecnología acabará imponiéndose. Algunos factores que serán determinantes para ello serán el coste de fabricación, la posibilidad de preservar el estado cuántico durante un periodo prolongado de tiempo y la escalabilidad, es decir, la posibilidad de construir computadores que utilicen un número elevado de qubits simultáneamente. Este último aspecto, la escalabilidad, es determinante para poder realizar cálculos complejos y no es trivial: puede volverse mucho más complicado conservar de forma estable (y manipular) el estado cuántico al incrementarse el número de qubits.

Actualmente, los computadores cuánticos que se han desarrollado no han pasado de ser prototipos entre los 5 qubits (IBM, 2016) o los 9 qubits (Google, 2016). Sin embargo, éste parece ser el año de la revolución en la computación cuántica, con empresas como Google y IBM (IBM Q) prometiendo computadores de 50 qubits en 2017. Este número de qubits debería permitir a estos ordenadores alcanzar la “supremacía cuántica”: realizar un cálculo más allá del alcance de cualquier otro ordenador convencional.

Y esto es sólo el principio. Factorizar un número de 768 bits usando el algoritmo de Shor requiere 1.154 qubits, por lo que todavía estamos lejos de “romper” RSA en la práctica. Pero es posible plantearse la existencia de computadores cuánticos de 1 millón de qubits en un plazo de 10 años. La capacidad de cálculo de estos ordenadores podría revolucionar múltiples campos de la ciencia y la ingeniería, así como cambiar el futuro de la informática.

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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