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Durante décadas, la tecnología de los ordenadores ha seguido prácticamente el mismo camino, hasta que recientemente apareció la computación cuántica o quantum computing, un área revolucionaria que promete cambiar para siempre el futuro digital.
Desde el 2020, los investigadores se esfuerzan en hacer los ordenadores cuánticos más potentes y fáciles de usar, lo que ha generado mucho entusiasmo y predicciones, porque sería la puerta de entrada a innumerables avances en el campo de la ciencia, Inteligencia Artificial y la medicina.
Ahora bien, ¿qué es un ordenador cuántico?, ¿podrá acabar con los equipos convencionales? Aquí te explicamos lo que pueden hacer estas máquinas que explotan al máximo los extraños comportamientos del mundo atómico.
Un ordenador cuántico es un dispositivo que opera y/o incorpora aspectos de la teoría cuántica para realizar sus funciones. Se trata de equipos en gran medida teóricos debido a la enorme cantidad de datos que se necesitan para que funcionen de manera significativa. Aunque en la actualidad se han desarrollado algunos modelos prácticos y la investigación está intentando realizar parte de la teoría de la computación cuántica. Como es evidente, se basa en los conceptos propios de la mecánica cuántica para darle respuesta a los requerimientos de los usuarios, aprovechando los fenómenos que ocurren a nivel atómico y molecular. ¿Qué es un ordenador cuántico?
Características
Una de las características básicas de los ordenadores cuánticos tiene que ver con las unidades utilizadas para la manipulación de datos.
En un ordenador convencional, estas unidades son bits que son valores binarios. Mientras que en la computación cuántica y los modelos de computadora cuántica, las unidades básicas son los qubits, que pueden tener un valor cero o uno, o uno de varios valores adicionales.
El problema de representar estos qubits en un espacio de almacenamiento de datos es una de las barreras esenciales para el diseño práctico de computadoras cuánticas.
Otra característica de estos equipos se relaciona con las líneas de comando. Es decir, una computadora tradicional y lineal tiene un solo comando para un estado determinado; este comando se describe como determinista.
Modelos como la máquina de Turing (NTM) no determinista proporcionan más de una posible respuesta de comando a un estado determinado. Como es evidente, se trata de un aspecto fundamental del diseño de computadoras cuánticas.
Principios básicos de la computación cuántica Qubits
¿Cómo funcionan los ordenadores cuánticos? A diferencia de los ordenadores clásicos que utilizan bits o el modelo binario (0 y 1) como unidad básica de información, este tipo de superequipos cuánticos emplean qubits, que tienen propiedades únicas gracias a la mecánica cuántica.
En términos conceptuales, es la contracción de quantum bit, y básicamente se caracterizan por su capacidad para representar y procesar información de forma exponencialmente superior a los bits clásicos.
Para que comprendas un poco más el concepto, estas son algunos de sus principios:
Un qubit puede estar en un estado 0, 1 o en cualquier combinación lineal de ambos simultáneamente. Esto es lo que hace que los ordenadores cuánticos tengan la capacidad de explorar múltiples soluciones a un problema a la vez. Dos o más qubits pueden estar correlacionados de manera que el estado de uno depende del estado de otro, incluso si están separados por grandes distancias. Se espera que este principio permita realizar cálculos altamente complejos de forma eficiente. Se trata de uno de los principios en que los investigadores están más enfocados, puesto que podrá reforzar las soluciones correctas y cancelar las incorrectas durante los cálculos, mediante un análisis profundo.
Estadísticas actuales y logros en quantum computing
- En 2019, Google declaró haber alcanzado la supremacía cuántica con su ordenador Sycamore, resolviendo un problema en 200 segundos que le tomaría 10,000 años a un superordenador clásico.
- IBM, con su plataforma IBM Quantum Experience, permite a los usuarios acceder a ordenadores cuánticos a través de la nube, democratizando el acceso a esta tecnología.
- Se prevé que los ingresos del mercado mundial de la computación cuántica alcancen los 8.600 millones de dólares estadounidenses en el año 2027.
Por otra parte, la siguiente tabla presenta las empresas que en la actualidad lideran este mercado con sus investigaciones:
Empresa
Qubits (2024)
Hitos relevantes
Google
70
Supremacía cuántica con Sycamore
IBM
433
Roadmap para llegar a sistemas con miles de qubits
IonQ
32
Líder en tecnologías basadas en trampas de iones
Computación cuántica frente a computación clásica: Bits vs. Qubits
Es fácil para quienes no son expertos en informática perderse entre estos conceptos. No obstante, y sin tantos tecnicismos, la diferencia fundamental entre la computación cuántica y la clásica está en cómo procesan y representan la información.
¿Qué significa esto?, que mientras los bits clásicos son binarios, los qubits aprovechan principios de la mecánica cuántica como la superposición y el entrelazamiento para hacer cálculos más potentes y rápidos.
Cuando hablamos de los paradigmas para el procesamiento de datos computacionales, tenemos dos vertientes claras que son:
- Determinista
- Probabilista
Es aquí cuando vemos el verdadero reto entre la quantum computing y los ordenadores clásicos.
Dicho de otra manera, en la computación convencional predomina el sistema determinista, puesto que sigue un conjunto fijo de reglas donde las mismas entradas siempre producen las mismas salidas. ¡No hay lugar para la incertidumbre o el azar!
Siguiendo con la idea, la particularidad de los ordenadores cuánticos es que aprovechan las propiedades de la mecánica cuántica para dar respuesta a los sistemas con incertidumbre inherente o grandes cantidades de datos.
Para crear estos entornos, los investigadores manipulan los qubits utilizando láseres de precisión o rayos de microondas. Sin embargo, todo debe ser en un ambiente extremadamente controlado, a diferencia de los bits que funcionan sin mayores protocolos.
Aspecto de la unidad
Bits (Clásicos)
Qubits (Cuánticos)
Unidad básica
Representa un estado binario: 0 o 1
Puede estar en una superposición de 0 y 1 simultáneamente
Representación
Solo un estado a la vez
Combinación lineal de múltiples estados
Modelo físico
Corrientes eléctricas o voltajes
Sistemas cuánticos como trampas de iones, superconductores o espines electrónicos
El principio de decoherencia cuántica y por qué afecta la quantum computing
Empecemos por lo básico, y es el hecho de que los ordenadores cuánticos son capaces de devolver un mayor número de respuestas a las distintas situaciones que se les plantean. Pero esto también tiene sus propios retos.
¡Así es! La decoherencia es uno de los mayores desafíos en los ordenadores cuánticos porque puede reducir la precisión y la estabilidad de los qubits.
La solución propuesta por investigadores como John Martinis o la propia IBM es la corrección de errores cuánticos, lo cual es un enfoque que se basa en códigos de corrección de errores cuánticos (QEC) para detectar y corregir los fallos en los qubits antes de que la decoherencia los afecte.
Por ejemplo, el Código de Shor y el Código de Steane son dos métodos que están en plena investigación para tratar de reducir la decoherencia cuántica, pero sin destruir los datos originales.
Aplicaciones de la quantum computing
Si bien es cierto que existe mucha expectativa en torno al modelo cuántico de ordenadores, también lo es que son sistemas en pleno desarrollo que buscan transformar por completo casi todos los ámbitos de la vida humana.
En la actualidad, las compañías automotrices como Volkswagen y Daimler están empleando computadoras cuánticas para modelar la composición química de las baterías de los autos eléctricos, buscando nuevas maneras de optimizar su rendimiento.
Los ordenadores cuánticos en Latinoamérica
Por supuesto que Latinoamérica no se queda atrás en esta tecnología, ya que el desarrollo de la computación cuántica está tomando impulso en esas latitudes.
Por ejemplo, Brasil ha visto a empresas como Embraer colaborar con investigadores para aplicar la computación cuántica en la optimización de procesos de manufactura y diseño aeroespacial.
Si hablamos de Argentina, el Conicet (Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas) trabaja en algoritmos cuánticos para simular materiales y realizar química computacional.
Mientras que en México, la UNAM, o Universidad Nacional Autónoma de México, ya está desarrollando proyectos de computación cuántica para mejorar la eficiencia energética y la logística.
Retos y limitaciones actuales
Son muchos los retos que enfrentan los ordenadores cuánticos y uno de ellos es la propia implementación práctica ante la falta de coherencia cuántica de los datos. Pero si profundizamos un poco, nos topamos que entre los otros desafíos se encuentran:
➡️Los qubits son increíblemente sensibles al entorno.
➡️Los ordenadores son propensos a errores debido a la decoherencia y otros ruidos.
➡️La corrección de estos errores es increíblemente costosa.
➡️Para que funcionen se necesitan trampas de iones, superconductores o espines electrónicos, pero todas tienen limitaciones específicas.
➡️Aún faltan algoritmos cuánticos generalizados.
➡️La construcción y mantenimiento de un ordenador cuántico es extremadamente costoso y técnicamente desafiante.
Lo más seguro es que podría pasar bastante tiempo para que los ordenadores cuánticos superen estos desafíos y desarrollen su máximo potencial.
Aunque estamos en plena era tecnológica, el mundo está a la espera de las sorpresas en cuanto al funcionamiento de los ordenadores cuánticos. De hecho, algunos investigadores afirman que esta tecnología será capaz de cambiar al mundo, tal y como pasó con el uso de la electricidad. Si bien este tipo de ordenadores todavía está en desarrollo, IBM ya presentó un modelo comercial llamado IBM Quantum System One en enero de 2019. Este sistema de computación cuántica integrado está diseñado para ser utilizado por empresas y se encuentra en un cubo de vidrio borosilicato hermético que mantiene un entorno físico controlado. Gil Kalai, matemático de la Universidad Hebrea de Jerusalén y uno de los investigadores expertos de la Universidad de Yale en la computación cuántica, reconoce que queda mucho por hacer para lograr que esta teoría funcione de manera correcta, ya que aún los cubits necesitan eliminar los ruidos que dan margen a los errores. No obstante, Hensinger, físico de la Universidad de Sussex en Brighton, en el Reino Unido, lleva a cabo una serie de pruebas para una computadora cuántica modular a gran escala, mediante la cual han obtenido algunos resultados satisfactorios, como la capacidad de responder a cálculos complejos de manera eficiente y precisa. En todo caso, estamos frente a un avance trascendental que tiene el potencial de transformar múltiples industrias y resolver problemas complejos que desafían a la tecnología actual, a lo que debemos sumarle que ya existen empleos en computación cuántica con salarios que son muy apetecibles. Futuro de la computación cuántica: Avances recientes y previsiones
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