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Ilustración: Katya Pavlovskaya para Skillbox Media
Maxim Safronov
Autor, editor y periodista de tecnología. Cuenta sobre nuevas tecnologías, profesiones digitales e instrumentos útiles para los desarrolladores. Le gusta tocar la guitarra eléctrica y programar en Swift.
Maria Tolchonova
Filóloga y tecnóloga, escribe sobre tecnología de una manera que incluso los novatos pueden entender. Editora comercial, autora de artículos técnicos para vc.ru y «Habra».
Continuamos explorando las complejidades de la mecánica cuántica. En el artículo sobre el paradoja de Schrödinger, hablamos del principio de superposición y, en parte, tocamos el tema de las computadoras cuánticas. Hoy vamos a analizarlo a fondo: descubriremos qué es esta máquina, cómo funciona y si es cierto que el futuro está detrás de ella.
¿Qué es una computadora cuántica?
Una computadora cuántica es una máquina de cómputo que utiliza las leyes de la mecánica cuántica: la entrelazamiento y el principio de superposición. Suena complicado, y en realidad también lo es, así que vamos paso a paso.
Del curso de informática escolar recordamos que las computadoras modernas funcionan en el sistema binario. La unidad de información en ellas son los bits, que pueden tomar dos valores: 0 y 1.
Las operaciones lógicas con bits son las que dan origen a toda la magia informática: escuchar música, ver videos o generar imágenes de gatos en una red neuronal.
Físicamente, un bit se parece a un pequeño transistor, cuya estructura es extremadamente simple: solo puede encenderse o apagarse, como una bombilla en una cadena de luces navideñas. Sin embargo, lo hace con una velocidad asombrosa y en una estrecha relación con otras «bombillas», lo que permite al ordenador realizar cálculos complejos a una velocidad cercana a la luz.
Este sistema se ha probado con éxito: prácticamente todos los dispositivos modernos funcionan con transistores, desde relojes inteligentes hasta teléfonos inteligentes, desde ordenadores domésticos hasta superordenadores. Sin embargo, también tiene sus limitaciones: existen tareas que a simple vista parecen sencillas, pero que incluso las máquinas más potentes no pueden resolver.
Ejemplo clásico. Imagina que eres un vendedor ambulante: ganas tu vida visitando casas y vendiendo ollas multicocinas. Necesitas encontrar la ruta más corta que te permita visitar varios grandes ciudades al menos una vez y volver a casa.
Ante ti se encuentra el famoso problema del viajante de comercio, que es mucho más complejo de lo que parece a primera vista. Si hay más de 66 ciudades en el enunciado, a un ordenador normal le tomaría varios miles de millones de años resolverlo mediante un simple proceso de eliminación. Aquí es donde entran en juego los ordenadores cuánticos, que pueden resolver este tipo de problemas millones de veces más rápido que los ordinarios.
El asunto es que, en lugar de los bits habituales, los ordenadores cuánticos utilizan cu Bits. Física mente, ya no son transistores, sino partículas cuánticas, generalmente fotones o protones. A diferencia de un bit, un qubit no solo puede ser 0 o 1, sino que también puede tomar cualquier valor entre ellos. Gracias a esto, un procesador cuántico puede realizar un número desproporcionadamente mayor de operaciones en un solo ciclo.
¿Cómo funciona un ordenador cuántico?
Como hemos mencionado anteriormente, un ordenador cuántico utiliza dos conceptos clásicos de la mecánica cuántica: el principio de superposición y la entrelazamiento.
La superposición es la capacidad de una partícula cuántica para encontrarse en varios estados simultáneamente. La superposición tiene una propiedad interesante: se «colapsa» instantáneamente al aparecer un observador.
Imagina que lanzas una moneda al aire y miras cómo gira. No puedes decir con certeza qué te mostrará ahora mismo: águila o cruz, todo gira, nada es claro. Detén esto alguien. Pero tan pronto como «aprietes» la moneda en la palma de tu mano, todo se aclara. De la misma manera se comporta un qubit: mientras no se le aplique un instrumento de medición, seguirá estando en todos los estados entre cero y uno.
Suena extraño, pero es una de las principales leyes de la mecánica cuántica.
En los círculos científicos, la superposición es un tema de gran controversia. Un ejemplo famoso es el paradoja del gato de Schrödinger, que se encuentra tanto vivo como muerto, o incluso que podría vivir simultáneamente en múltiples universos paralelos.
Pero la superposición no es suficiente. Para que las operaciones se lleven a cabo, los qubits deben estar conectados entre sí. Si en una computadora clásica esto lo hacen las rutas conductoras, en una cuántica, la función la cumple la entelazamiento cuántico.
Por ejemplo, en entornos de laboratorio podemos obtener varios fotones en un estado entrelazados. Entonces, sin importar dónde se encuentren estos fotones, incluso en los extremos opuestos del universo, estarán vinculados. Si se altera el estado de uno, se modificarán instantáneamente los demás fotones entrelazados con él. Puede parecer magia, pero es una ley física real: los científicos han logrado teletransportar estados cuánticos a kilómetros de distancia utilizando este principio.
¿En qué se diferencia un ordenador cuántico de un ordenador clásico?
Gracias a que los qubits existen simultáneamente en varios estados y están conectados entre sí, las máquinas cuánticas pueden evaluar todas las posibilidades de solución paralelamente, a diferencia de los ordenadores clásicos, que procesan las opciones secuencialmente y relativamente lentamente.
Se puede comparar esto con un caleidoscopio: si con una computadora común necesita girar el dispositivo para obtener diferentes imágenes, un computador cuántico ya lo ha «girado» y ha formado un solo gran lienzo; lo que queda es encontrar la pieza adecuada dentro de él.
Aquí comienzan las dificultades; el problema es que los ordenadores cuánticos no dan resultados exactos, sino probables, es decir, aproximados a la realidad. Por lo tanto, para su interpretación se necesitan algoritmos especiales, algoritmos cuánticos. Estos algoritmos ya existen, pero están diseñados para resolver problemas matemáticos específicos, por lo que tienen poca aplicación en la vida real. Transferir tareas humanas reales al lenguaje cuántico no es fácil; en parte, por eso estas máquinas aún no se volverán comunes.
Otra dificultad es la decoherencia. Se trata de cuando una partícula pierde sus propiedades al entrar en contacto con el mundo exterior. El problema es que la superposición es una cosa delicada y puede ser interrumpida por casi cualquier cosa, desde una tormenta solar hasta el cambio climático. Por lo tanto, no se puede simplemente cubrir todo con un capuchón de cobre y sellarlo con pasta térmica; se necesita buscar un aislamiento más robusto.
El desarrollo de tal aislamiento es un desafío tecnológico por sí solo. El único método operativo actual es enfriar todo el sistema hasta el cero absoluto para protegerlo de las influencias externas. Esto se hace generalmente con nitrógeno líquido, trampas iónicas o campos magnéticos, por lo que este sistema de refrigeración es bastante voluminoso. Solo mire a este guapo:
Foto: IBM Research / Flickr
La conclusión principal es clara: los ordenadores cuánticos son, indudablemente, más potentes que los ordinarios, pero aún no pueden hacer todo. Además, son bastante complejos de fabricar. Sin embargo, los científicos están seguros de que esto es superable: basta recordar cuánto espacio ocupaba uno de los primeros ordenadores, el Mark I. Y nada, ahora sus lejanos descendientes se lucen en la mayoría de los hogares y oficinas del mundo.
