Diferencias del cómputo cuántico al binario

Texto: Héctor de la Peña

Asesoría: Guillermo Morales, investigador del Departamento de Computación

¿Águila o sol? Una pregunta cuya respuesta tarda unos breves segundos en conocerse cuando la moneda cae al suelo; a menos que la medición se realice con una computadora cuántica, donde el resultado puede presentar una combinación entre ambas opciones; es decir, que se superponen las posibilidades.

El ejemplo más famoso para entender el término de superposición cuántica es la paradoja del gato de Schrödinger, aunque para no atentar contra la vida de otro animal, el concepto puede resumirse como un principio fundamental de la mecánica cuántica que sostiene que un sistema físico existe en parte en todos sus teóricamente posibles estados de forma simultánea, pero, cuando se mide, da un resultado que corresponde a solo una de las posibles configuraciones.

Quizá este tipo de medición no sea muy útil para ganar un volado y saber a quién le toca sacar primero en un partido de futbol, pero el cómputo cuántico puede abrir opciones en el desarrollo de nuevos medicamentos, conocer más acerca del universo o en temas de seguridad financiera.

Para entender al cómputo cuántico, lo primero que debe considerarse es la gran diferencia con el cómputo binario, al que conocemos actualmente.

El cómputo clásico emplea bits; es decir, se está en uno de dos estados deterministas posibles: cero o uno (falso o verdadero, prendido o apagado). En tanto, en la computación cuántica, las partículas básicas de información son los qubits (cubits), regidos por leyes físicas, cada uno en una superposición de dos posibles valores.

Un qubit tiene dos resultados posibles al ser medido. Un sistema de dos qubits, tiene 2² posibilidades, uno de 3 qubits involucra 2³ posibles resultados, y así progresivamente. Este crecimiento exponencial es una característica esencial del cómputo cuántico que no posee el clásico.

Si bien esa característica de diversos valores ofrecería soluciones de problemas de manera más rápida y por tanto más eficiente, una dificultad a la que se enfrentan los científicos inmersos en el tema del cómputo cuántico es la coherencia de las superposiciones, ya que al realizar una medición en un qubit, sólo subsistirá uno de los dos posibles valores deterministas. Al medir un sistema cuántico, se asume un único valor y el resto de valores se pierde.

De hecho, ese es el mayor problema del cómputo cuántico: la llamada decoherencia, donde los qubits pierden su característica de superposición y se convierten en unidades sencillas de 1 y 0, por lo que hasta ahora las computadoras cuánticas no han podido superar los 15 qubits, lo que significa que los cálculos aún carecen de espacio para impactar en las áreas científicas donde se pretende hacerlo.

Es decir, continuando con el ejemplo de la moneda, la medición de que realiza el cómputo cuántico es mientras está en el aire, y se pierden esos valores al caer al suelo. Eso, en términos de cómputo cuántico, resulta un problema ya que mucha información se perdería.

Lo anterior hace referencia principalmente a las oposiciones teóricas del cómputo cuántico, pero a partir de la última década, donde diversas empresas (IBM o D-Wave) han avanzado en el desarrollo de estas computadoras, también es notorio que plantean grandes diferencias de infraestructura y programación.

Por ejemplo, a diferencia de la informática clásica, aún no existe un lenguaje formal computacional cuántico como tal, aunque físicos y matemáticos ya emplean el álgebra exterior como una opción de lenguaje.

Los investigadores trabajan en desarrollar algoritmos que puedan dar soluciones efectivas y eficientes a problemas planteados, pero por ahora la información no puede almacenarse porque sus periodos de funcionamiento son muy cortos y después de cierto tiempo la información se deteriora. El cómputo cuántico no es un paradigma de almacenamiento, sino de transformaciones entre estados.

El uso de un teclado tal y como se conoce o la visualización en un monitor está descartado, por lo que un computador cuántico no sería útil para ver videos de YouTube, chatear o jugar Fornite; en cambio su desarrollo por ahora está pensado para resolver problemas cuya complejidad los hace intratables en la práctica por las computadoras clásicas actuales, tales como desarrollar nuevos medicamentos, entender mejor la naturaleza o en temas de seguridad criptográfica.

En algo que sí coincidan ambas computadoras es la necesidad de un sistema de refrigeración, pero a diferencia del equipo que tenemos en casa en el que un par de ventiladores o, en el caso de los equipos gamers, un radiador basta para mantener el equipo en buenas condiciones; en el caso de una computadora cuántica se debe mantener a temperaturas muy por debajo de los cero grados (o sea por debajo de -200º C) , con poca presión atmosférica y aislados del campo magnético terrestre, por lo que para socializar esta tecnología será necesario un gran avance tecnológico.

A pesar de todos los retos técnicos y científicos que conlleva el cómputo cuántico, diversos grupos científicos y empresas tecnológicas no quitan el dedo del renglón para que en los próximos años sea una realidad su uso, ya que los beneficios de esta tecnología son muchos; por ejemplo, podría acelerar la secuenciación de genomas, rastrear exoplanetas en la marea de datos recopilados por los telescopios. Algo que llevaría décadas hacer con una computadora convencional, se podría resolver en días.

Es por ello que el cómputo cuántico se ha tomado como prioritario por países como Estados Unidos, donde se ha institucionalizado incluso a nivel gubernamental, al darse a conocer que durante los próximos cinco años contará con un presupuesto federal que oscila las 625 millones de dólares, gracias al decreto del Acta de la Iniciativa Nacional Cuántica, el cual contempla un acuerdo en el que, por primera vez, investigadores del mundo académico, los laboratorios nacionales estadounidenses y la industria trabajarán en conjunto con el objetivo de acelerar el desarrollo del cómputo cuántico.