En los últimos años, la informática cuántica ha despertado un creciente interés por su enorme potencial a la hora de transformar por completo el panorama tecnológico actual. A diferencia de los ordenadores tradicionales, los sistemas cuánticos se basan en la computación cuántica y utilizan cúbits en lugar de bits, lo que les permite abordar problemas extremadamente complejos que superan las capacidades de los supercomputadores actuales.
Pero, ¿qué es exactamente la informática cuántica? ¿Cuáles son sus principales componentes? ¿Qué ventajas ofrece la computación cuántica frente a la informática clásica y en qué ámbitos se aprovecha mejor su potencial? En este artículo exploraremos estas cuestiones para comprender más a fondo sus fundamentos, casos de uso, los retos a los que se enfrenta la computación cuántica y las perspectivas de futuro.
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¿Qué es exactamente la computación cuántica?
La computación cuántica es un campo emergente de la informática y la ingeniería que aprovecha las cualidades únicas de la mecánica cuántica para resolver problemas sumamente complejos. En esencia, un problema que podría conllevar miles de años y millones de operaciones para resolverse si se utiliza un ordenador tradicional puede pasar a resolverse en cuestión de minutos u horas haciendo uso de un ordenador cuántico. Esto es gracias a que los ordenadores cuánticos aprovechan específicamente la mecánica cuántica, la programación cuántica y algoritmos concretos para acceder a métodos matemáticos de resolución de problemas que no están disponibles en la informática tradicional.
Como veremos a continuación, los ordenadores cuánticos son especialmente útiles a la hora de modelar comportamientos de los sistemas físicos, así como para identificar patrones y estructuras complejas de la información.
Cómo funciona la computación cuántica. Principios básicos
La computación cuántica, en lugar de utilizar el sistema binario de unos y ceros (bits), utiliza cúbits o bits cuánticos, cuyo estado en cualquier momento puede representarse por un número complejo, denominado amplitud, que hace referencia a la posibilidad de obtener tanto cero como uno al leer el estado del cúbit. Dado que los cúbits pueden existir en más estados que los bits estándar, los ordenadores cuánticos funcionan manejando mucha más información por cúbit que un equipo tradicional por bit.
El funcionamiento de un ordenador cuántico se basa en diversos aspectos clave:
Superposición
Puede representar cada estado cuántico como una suma de dos o más estados distintos. Esta superposición de cúbits otorga a las computadoras cuánticas su paralelismo inherente, permitiéndoles procesar millones de operaciones de manera simultánea
Entrelazamiento
Ocurre cuando dos sistemas se vinculan tan estrechamente que el conocimiento sobre uno le brinda un conocimiento inmediato al otro. Los procesadores cuánticos pueden sacar conclusiones sobre una partícula midiendo otra. El entrelazamiento es la capacidad de los cúbits para correlacionar su estado con otros cúbits.
Interferencia
La interferencia es el motor de la computación cuántica. Un entorno de cúbits colocados en un estado de superposición colectiva estructura la información de forma parecida a las ondas, con amplitudes asociadas a cada resultado. Estas amplitudes se convierten en las probabilidades de los resultados de una medición del sistema.
Decoherencia
La decoherencia se produce con la pérdida del estado cuántico en un bit. Los factores ambientales, como la radiación, pueden provocar el colapso del estado cuántico de los cúbits. Un gran desafío en la construcción de una computadora cuántica es diseñar las diversas características que intentan retrasar la decoherencia del estado.
Componentes de un ordenador cuántico
A diferencia de los ordenadores tradicionales, los ordenadores cuánticos carecen de componentes habituales como la memoria RAM, la unidad de almacenamiento o la tarjeta gráfica. Su estructura está optimizada para realizar cálculos cuánticos específicos y mantener los estados cuánticos coherentes. De esta forma, los componentes esenciales son los siguientes:
- Procesadores cuánticos: está formado por tres componentes principales. Las unidades de procesamiento cuántico QPU incluyen el chip cuántico, la electrónica de control y el hardware de cálculo clásico necesario para la entrada y salida de datos.
- Plano de datos cuánticos: es el núcleo de la computadora cuántica e incluye los cúbits físicos y las estructuras necesarias para mantenerlos en su lugar.
- Plano de control y medida: es el encargado de convertir las señales digitales en señales analógicas o de control de onda. Estas señales analógicas realizan las operaciones en los cúbits en el plano de datos cuánticos.
- Plano del procesador de control y procesador host: implementa el algoritmo cuántico o secuencia de operaciones. El procesador host interactúa con el software cuántico y proporciona una señal digital o una secuencia de bits clásica al plano de control y medición.
- Software cuántico: lleva a cabo la implementación de algoritmos cuánticos utilizando circuitos cuánticos. Un circuito cuántico es una rutina de computación que define una serie de operaciones cuánticas lógicas en los cúbits y los subyacentes. Los desarrolladores pueden usar varias herramientas y bibliotecas de desarrollo de software para codificar algoritmos cuánticos.
Computación tradicional vs computación cuántica
La computación cuántica y la tradicional son dos mundos paralelos con algunas similitudes y numerosas diferencias entre sí, como es el uso del cúbit frente al bit. Pero existen otra serie de medidas que permiten interpretar mejor las diferencias entre ambas tecnologías de manera más tangible.
- Capacidad de cómputo
En los ordenadores cuánticos, la capacidad de procesamiento crece de manera exponencial a medida que se añaden cúbits, gracias a propiedades como las vistas de superposición o entrelazamiento. En cambio, en la informática clásica, la capacidad de cómputo crece de forma lineal añadiendo más transistores: cada uno aporta una unidad más de capacidad.
- Lenguaje de programación
La computación cuántica carece de un código propio de programación cuántica y recurre al desarrollo e implementación de algoritmos muy específicos. Por su parte, la informática tradicional cuenta con lenguajes muy estandarizados como Java, SQL o Python, entre muchos otros.
- Arquitectura
La arquitectura de un ordenador cuántico es distinta a la del equipo convencional, puesto que no tiene memoria ni almacenamiento. Los equipos cuánticos se componen de un conjunto de cúbits capaces de probar todos los caminos al mismo tiempo gracias a la superposición y el entrelazamiento de manera mucho más rápida.
- Funcionalidad
Un ordenador cuántico no es una herramienta de uso popular, como sucede con un ordenador personal. Son sistemas complejos que solo tienen cabida en el ámbito corporativo, científico y tecnológico. Sus distintos componentes requieren de un entorno de refrigeración mucho más complejo.
- Tasa de error
Mientras los ordenadores tradicionales operan con una precisión extremadamente alta y errores casi despreciables, gracias a tecnologías maduras y sistemas de corrección muy eficientes, los ordenadores cuánticos todavía presentan tasas de error relativamente elevadas. Esta pérdida de coherencia cuántica (llamada decoherencia) se debe a que los cúbits son muy sensibles a alteraciones como el calor, el ruido o las vibraciones.
Ventajas de la computación cuántica
La informática cuántica aporta grandes novedades a la hora de poder resolver problemas que habitualmente han tenido los ordenadores clásicos tradicionales. Estas posibilidades pueden englobarse dentro de cuatro áreas principales:
Simulación de sistemas
Una ventaja clave es que la computación cuántica puede modelar otros sistemas cuánticos, como puedan ser moléculas, materiales o reacciones químicas, y hacerlo además con una precisión mucho mayor que los de informática tradicional.
Inteligencia artificial
La computación cuántica permite la ejecución de modelos avanzados de inteligencia artificial y aprendizaje automático, así como de grandes modelos de lenguaje, ejecutando muchas operaciones de manera simultánea.
Optimización
Esta tecnología hace posible una gestión mejorada de la medición del tráfico y las Smart Cities, las cadenas de suministro en tiempo real, o las redes de distribución y telecomunicaciones, entre muchas otras.
Criptografía
La informática cuántica también evoluciona los métodos de cifrado de datos para permitir la transmisión segura. Sistemas como la distribución cuántica de claves (QKD) permiten transmitir información con propiedades de detección de interceptación.
Tipos de tecnología cuántica
Existen diferentes tipos de tecnologías cuánticas. El hardware puede condicionar qué aplicaciones son más factibles, ya que algunas son más aptas para ciertos tipos de entornos como puedan ser simulaciones o comunicaciones, mientras que otras pueden ser más ventajosas para abordar otras tareas. La tecnología de superconductores requiere para su funcionamiento de temperaturas muy bajas, mientras que la tecnología fotónica puede operar a temperaturas más altas, pero presenta otros desafíos. Estas son las principales tecnologías:
Procesadores de trampas de iones basados en puertas
Las computadoras cuánticas de iones atrapados implementan cúbits cuánticos mediante el uso de estados electrónicos de átomos cargados llamados iones. Los iones están confinados y suspendidos sobre la trampa microfabricada mediante campos electromagnéticos.
Procesadores superconductores basados en puertas
La computación cuántica superconductora es un despliegue de una computadora cuántica en circuitos electrónicos superconductores. Los cúbits superconductores se diseñan con circuitos eléctricos superconductores que funcionan a temperaturas criogénicas.
Procesadores fotónicos
Es la tecnología que se vale de un procesador fotónico cuántico para manipular la luz y realizar cálculos. Las computadoras cuánticas fotónicas utilizan fuentes de luz cuántica que emiten impulsos luminosos a presión junto con equivalentes de cúbit que corresponden a modos de un operador continuo, como posición o movimiento.
Procesadores de átomos neutros
Se trata de una tecnología muy similar a la de iones atrapados. Sin embargo, utiliza luz en lugar de fuerzas electromagnéticas para atrapar el bit y mantenerlo en su posición. Tienen la ventaja de que los átomos no están cargados y los circuitos pueden funcionar a temperatura ambiente.
Procesadores atómicos Rydberg
Un átomo de Rydberg es un átomo agitado con uno o más electrones que, en promedio, están más alejados del núcleo. Los átomos de Rydberg tienen una serie de propiedades peculiares que incluyen una respuesta exagerada a los campos eléctricos y magnético, garantizando una larga vida. Cuando se usan como cúbits, ofrecen interacciones atómicas fuertes y controlables que ajustan diferentes estados.
Temple cuántico
El temple cuántico utiliza un proceso físico para colocar los cúbits de un sistema cuántico en un mínimo absoluto de energía. A partir de ahí, el hardware modifica la configuración del sistema para que su panorama energético refleje el problema que debe resolverse.
Aplicaciones de computación cuántica. Casos de uso
Los ordenadores cuánticos destacan por poder resolver ciertos problemas complejos con muchas variables. Son muchos los sectores que se benefician directamente de sus tecnologías, desde el desarrollo de nuevos fármacos, hasta los avances en el desarrollo de semiconductores, pasando por la resolución de complejos retos de energía, el análisis de grandes cantidades de datos, estudios de investigación de ADN o simulación molecular.
Finanzas
La computación cuántica puede transformar las finanzas al ofrecer una gestión más rápida y precisa de carteras de inversión, analizando múltiples variables y escenarios diferentes para reducir riesgos. También mejora la detección de fraude identificando patrones complejos y anomalías en grandes volúmenes de datos.
Sector salud
Permite el desarrollo de nuevos medicamentos y tratamientos personalizados para cada persona en función de su ADN. Es el futuro de la biomedicina, lo que podría aportar diagnósticos más tempranos y precisos de enfermedades como el cáncer.
Ciberseguridad
En este ámbito, la informática cuántica podría aportar una de cal y otra de arena. Su potencia podría poner en riesgo los sistemas de encriptación tradicionales, ya que serían capaces de romper códigos que hoy son inviolables. Por su parte, permitiría impulsar avances revolucionarios en la protección de datos, como el Quantum Key Distribution (QKD).
Infraestructuras y logística
La computación cuántica permite diseñar medios de transporte más eficientes, mejorar las rutas, la trazabilidad de los paquetes y un largo etcétera. En logística, los sensores cuánticos permiten también mejorar la precisión de los sistemas de navegación, especialmente en lugares donde las señales GPS son débiles o inexistentes.
Modelación climática
Con el fin de poder anticiparnos a catástrofes naturales y meteorológicas, así como predecir cambios climáticos, los científicos usan la computación cuántica para crear modelos de comportamiento climático complejos y adelantarse a las situaciones a través de sistemas de alerta temprana.
Inteligencia artificial
La informática cuántica puede potenciar la inteligencia artificial mediante algoritmos específicamente cuánticos. Un ejemplo serían las máquinas de soporte vectorial cuánticas o las redes neuronales cuánticas, con el fin de que puedan aprovechar la superposición y el entrelazamiento.
Análisis del dato o machine learning
El machine learning (ML) es el proceso de analizar grandes cantidades de datos para ayudar a las computadoras a hacer mejores predicciones y llevar a cabo una toma de decisiones más acertada. La investigación en computación cuántica estudia los límites físicos del procesamiento de la información y está abriendo nuevos caminos en la física fundamental.
Retos y futuro de la computación cuántica
La computación cuántica representa una de las mayores revoluciones tecnológicas del siglo XXI. A medida que el hardware cuántico escala y los algoritmos cuánticos avanzan, pronto podremos encontrar nuevas soluciones a grandes problemas como la simulación molecular, la gestión de infraestructuras energéticas, la previsión de fenómenos meteorológicos o el modelado del mercado financiero.
Los retos son mayúsculos, pero las oportunidades enormes. Basada en los principios de la mecánica cuántica, sus principales oportunidades incluyen el avance en inteligencia artificial, optimización compleja, simulación de moléculas y materiales, y comunicaciones seguras. Sin embargo, aún se enfrenta a importantes retos: la corrección de errores, la escalabilidad del hardware, los altos costes y la falta de estándares. Aun así, su desarrollo promete transformar sectores como la salud, la biotecnología, la energía y las finanzas en los próximos años.
Grandes empresas como IBM, Google, Microsoft, D-Wave Systems, IonQ, Quantinuum o Rigetti Computing ya disponen de ordenadores cuánticos, algunos de los cuales ofrecen acceso a la tecnología. Así, las herramientas de vanguardia que eran meramente teóricas hace solo cuatro décadas, ahora están disponibles para cientos de miles de desarrolladores.
Investigadores de IBM Quantum identifican una serie de retos clave que deben ser abordados para mejorar la utilidad de la informática cuántica: la escalabilidad del hardware y de sus procesadores a un mayor número de cúbits; la corrección de errores cuánticos y la tolerancia a fallos; la conectividad y la arquitectura de cúbits; superar las limitaciones que presentan los materiales que componen los chips cuánticos; usar una infraestructura que reduzca la huella, el coste y el consumo de energía elevado; la integración con software y nuevos modelos de programación y compilación que están en desarrollo; y por último, la supercomputación cuántico-céntrica para que la supercomputación clásica moderna pueda trabajar de manera conjunta con la futura que está por llegar.
