Ordenadores cuánticos - Qué son y cómo funcionan

Los ordenadores cuánticos son frecuentemente anunciados como la próxima generación de computación. Se basan en las leyes de la mecánica cuántica, el extraño comportamiento de las partículas a escala subatómica, para procesar información.

Actualmente, los ordenadores cuánticos son demasiado pequeños, demasiado difíciles de mantener y propensos a errores para competir con los mejores ordenadores clásicos de hoy en día. Sin embargo, muchos expertos esperan que la computación cuántica algún día supere a la computación clásica para tareas específicas.

Las tecnologías que permiten la computación cuántica han avanzado rápidamente en los últimos años. Algún día, podrían ser capaces de resolver problemas que son demasiado complejos incluso para los ordenadores convencionales más potentes de hoy en día. Esta enorme ganancia de rendimiento podría abrir la puerta a muchos usos emocionantes, incluyendo en farmacéutica, modelado climático y manufactura, todos los cuales dependen de simulaciones enormemente complejas.

Computación cuántica VS Computación clásica

Los ordenadores clásicos procesan datos utilizando bits binarios, que pueden estar en uno de dos estados —0 o 1. Los bits están codificados en transistores, que pueden estar hechos de silicio, germanio u otros semiconductores.
Los ordenadores cuánticos utilizan partículas como electrones o fotones que se comportan como bits cuánticos, o qubits, que representan una superposición tanto de 0 como de 1 —lo que significa que pueden existir en múltiples estados a la vez. Los qubits también pueden ser codificados en materiales semiconductores como el silicio, o incluso en materiales superconductores, como la espinela (MgAl2O4) y el aluminato de lantano (LaAlO3).

Para realizar completamente la supremacía cuántica, los ordenadores cuánticos necesitan algoritmos diferentes que aprovechen la forma única en que los qubits codifican y procesan datos. Los científicos están desarrollando algoritmos cuánticos, que tienen una menor complejidad computacional, lo que significa que requieren menos tiempo de ejecución o número de operaciones en comparación con los algoritmos convencionales.

Sin embargo, los algoritmos cuánticos necesitarían ser ejecutados en ordenadores cuánticos grandes y tolerantes a fallos, que aún no están disponibles.

Partículas cuánticas entrelazadas

Las partículas cuánticas entrelazadas están vinculadas en el espacio y el tiempo y comparten información, incluso si están a miles de kilómetros de distancia.

Qubits: Los qubits son partículas cuánticas que son equivalentes a los bits binarios en los ordenadores clásicos. Dado que los qubits pueden estar en más de un estado, ofrecen capacidades de procesamiento exponencialmente mayores que los bits binarios si pueden ser unidos y utilizados para ejecutar cálculos.

Los qubits procesan datos utilizando puertas cuánticas, que son análogas a las puertas binarias en los ordenadores clásicos. Sin embargo, a diferencia de las puertas binarias, las puertas cuánticas son reversibles. Algunas puertas binarias pierden datos a medida que la información es procesada a través de ellas, pero las puertas cuánticas la preservan. Combinadas, las puertas cuánticas forman circuitos cuánticos.

Superposición: La diferencia principal entre los qubits y los bits binarios es que los qubits operan en superposición ¿Qué quiere decir? Que un qubit puede representar a la vez tanto un 1 como un 0. Esta superposición permite a los ordenadores cuánticos realizar cálculos en paralelo procesando todos los estados de un qubit al mismo tiempo.

Entrelazamiento: El entrelazamiento cuántico es un fenómeno asociado con la superposición. Dos partículas subatómicas, o qubits en un ordenador cuántico, están vinculadas en el espacio y el tiempo. Están físicamente separadas pero comparten información e interactúan a la vez. Independientemente de la distancia entre las partículas, si una es observada, entonces el estado de la otra se conoce.

¿Cómo son de poderosos los ordenadores cuánticos?

La superposición y el entrelazamiento cuánticos hacen que el potencial de procesamiento de un ordenador cuántico sea mucho mayor que el de un ordenador clásico.

Mientras que agregar más bits clásicos aumenta linealmente cuántos cálculos puede hacer un ordenador, agregar más qubits a un ordenador cuántico aumenta exponencialmente su potencia de cálculo, superando ampliamente a un ordenador binario clásico una vez que hay suficientes qubits. Los científicos estiman que un ordenador cuántico con aproximadamente 20 millones de qubits alcanzará la supremacía cuántica, el punto en el que un ordenador cuántico resuelve un problema que un ordenador clásico no puede.

Sin embargo, los ordenadores cuánticos siguen siendo muy experimentales. Por un lado, la superposición que crea los qubits, y el entrelazamiento que los une, son muy fácilmente destruidos, porque los qubits interactúan con el entorno externo y se entrelazan con él.

Cuando eso ocurre, la información que llevan se pierde o se corrompe. Eso hace que los ordenadores cuánticos sean extremadamente propensos a errores. Para evitar esto, las empresas están implementando múltiples enfoques, como la superenfriamiento a poco más del cero absoluto y el uso de electromagnetos para aislar los qubits.

¿Cómo funcionan los ordenadores cuánticos?

Los ordenadores cuánticos tienen una arquitectura icónica en forma de candelabro, que comprende una serie de tubos y cables interconectados que albergan diferentes capas del ordenador. La mayoría de los ordenadores cuánticos están vinculados con refrigeradores masivos y potentes para que los procesadores puedan enfriarse a cerca del cero absoluto para mitigar el ruido térmico y las vibraciones. Muchas de las capas del candelabro trabajan para enfriar el procesador cuántico, que se encuentra cerca de la capa inferior.

Los ordenadores cuánticos tienen arquitecturas ligeramente diferentes, pero tienden a tener los siguientes elementos.

Datos cuánticos: El plano de datos cuánticos alberga los qubits y es donde se procesan los datos mediante puertas cuánticas. La estructura que sostiene los qubits en su lugar difiere entre diferentes tipos de ordenadores cuánticos. Algunos qubits están hechos de superconductores sólidos enfriados a poco más del cero absoluto. Otros utilizan campos electromagnéticos para atrapar iones, o átomos cargados que actúan como los qubits, en cámaras de alto vacío. La presión del vacío minimiza la interferencia de las vibraciones y estabiliza los qubits.

Plano de control y medida: El plano de control y medida convierte una señal digital de un ordenador clásico en las señales analógicas utilizadas para cambiar los estados de los qubits en el plano de datos cuánticos.

Al igual que con el plano de datos cuánticos, los ordenadores cuánticos envían señales de múltiples maneras, como con microondas o láseres.

Procesador de control y procesador principal: El procesador de control y el procesador principal implementan el algoritmo cuántico, que es una secuencia de operaciones diseñadas para ejecutarse en un ordenador cuántico para procesar los datos. Después de realizar un cálculo cuántico, el procesador principal proporciona finalmente una señal digital clásica al plano de control y medida.

Software cuántico: Llevar la salida del procesador al plano de control y medida requiere otro elemento: software cuántico. Los ordenadores cuánticos requieren algoritmos especialmente diseñados, que más comúnmente se describen mediante un circuito cuántico, o una rutina que define una serie de operaciones cuánticas en los qubits. El software cuántico se compone de algoritmos cuánticos. Otro software cuántico se utiliza para corregir los errores generados al realizar cálculos en los qubits.

¿Por qué necesitamos ordenadores cuánticos?

En teoría, los ordenadores cuánticos pueden ser potencialmente mucho más rápidos que los ordenadores clásicos y pueden resolver simultáneamente múltiples problemas complejos. Son particularmente prometedores para tareas de optimización. Los ordenadores clásicos luchan o fallan cuando un problema tiene un número extremadamente grande de soluciones posibles.

Sin embargo, un ordenador cuántico podría considerar todas las soluciones potenciales y encontrar rápidamente la óptima. El descubrimiento de fármacos o la ciencia de materiales, donde actualmente se utilizan los ordenadores clásicos más rápidos, son dos ejemplos de cómo podrían utilizarse los ordenadores cuánticos.

Los ordenadores cuánticos también podrían transformar la inteligencia artificial (IA). Los sistemas de IA se entrenan utilizando grandes conjuntos de datos. Los ordenadores cuánticos podrían permitir el uso de conjuntos de datos más grandes y complejos para el entrenamiento de la IA. ¿qué se lograría con esto? pues nos llevaría a sistemas cada vez más sofisticados de inteligencia artificial.

¿Por qué son tan difíciles de construir los ordenadores cuánticos?

Los ordenadores cuánticos son delicados y susceptibles a la interferencia de fuentes externas, como cambios de temperatura o partículas errantes. Cuando hay interferencia, los qubits son susceptibles a la decoherencia, que es el colapso del estado cuántico. Esta decoherencia hace que los ordenadores cuánticos sean mucho más propensos a errores que los ordenadores convencionales. Mientras que aproximadamente 1 entre 1 billón de bits fallan, la tasa de fallos es aproximadamente de 1 entre 1.000 para los qubits.

Aunque hay formas de proteger un sistema cuántico de influencias externas, los errores pueden seguir colándose. Incluso un solo error puede hacer que la validez de toda una computación se colapse. Y debido a que los qubits son fundamentalmente diferentes de los bits, los métodos convencionales de corrección de errores no funcionan.

Los científicos han creado algoritmos cuánticos para compensar estos errores. Pero estos requieren qubits para ejecutarse, reduciendo cuántos están disponibles para procesar los datos. Otro capricho de la mecánica cuántica es que observar o medir directamente el estado de una partícula o átomo en superposición lo destruye. Eso significa que los investigadores deben usar trucos complicados para leer el estado cuántico de la salida, ya que, como ya sabemos, la observación directa corre el riesgo de corromper los datos.

¿Cuáles son las implicaciones de la computación cuántica?

Los ordenadores cuánticos serán una tecnología disruptiva una vez que logremos la supremacía cuántica. Pero es incierto cuándo los científicos construirán un ordenador cuántico lo suficientemente potente, con millones de qubits corregidos de errores, y hasta ahora los ordenadores cuánticos más potentes solo tienen aproximadamente 1.000 qubits.

Aun así, los ordenadores clásicos seguirán siendo la forma más fácil de abordar la mayoría de los problemas porque no necesitan mantener estados cuánticos. Es probable que los ordenadores cuánticos solo se utilicen para abordar problemas que estén más allá de las capacidades de los ordenadores clásicos.

El área que probablemente se verá afectada es el cifrado. Estos datos protegen registros financieros e información personal. Los métodos de cifrado modernos se basan en problemas matemáticos que son demasiado complejos para que los resuelvan los ordenadores clásicos.

Sin embargo, la potencia de procesamiento de un ordenador cuántico podría resolverlos fácilmente. La criptografía cuántica es ahora un campo floreciente, ya que los investigadores intentan desarrollar un cifrado resistente a los ataques cuánticos para proteger datos sensibles de ser descifrados por ordenadores cuánticos en el futuro.