Cómo funciona un ordenador clásico:
La unidad básica de información de la informática es el bit, que entrega resultados binarios con dos estados posibles (1 ó 0), y con los que podemos realizar varias operaciones lógicas (AND, NOT, OR). Juntando n bits podemos representar números y operar sobre esos números, pero con limitaciones: solo podemos representar hasta 2^n estados distintos y si queremos cambiar X bits tenemos que realizar al menos X operaciones sobre ellos: no hay forma de cambiarlos sin tocarlos.
Qué es una computadora u ordenador cuántico:
Se trata de una computadora que utiliza los qubits para realizar las operaciones en vez de los tradicionales bits de las computadoras clásicas, lo cual le permite resolver problemas mucho más rápido que una computadora ordinaria o que incluso, sería incapaz de resolver.
La computación cuántica se basa en el uso de cúbits o qubits (bit cuántico, unidad mínima de la información cuántica que contiene valores 0 (ket 0) y 1 (ket 1), o una combinación de estos dos estados), y que dan lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos.
Un qubit no vale solo 1 ó 0 como un bit normal, sino que puede ser un 1 en un 80%, y un 0 en un 20%.
El qubit entrega resultados al mismo tiempo, gracias a las leyes de la cuántica, lo que permite más rapidez de procesamiento de datos.
Además, el qubit puede resolver muchas más operaciones al mismo tiempo de forma simultánea e incluso realizar miles de combinaciones, lo cual rompería cualquier tipo de encriptación de manera instantánea.
Existen numerosos campos donde el qubit tendrá gran relevancia como la teletransportación de información cuántica en la tierra y en el espacio, las comunicaciones con seguridad definitiva (infranqueable), y el comienzo de big data a niveles inimaginables, y esto es solo el comienzo de lo que se puede lograr con el qubit.
Para muchos científicos la computación cuántica será el futuro de las computadoras.
Google y NASA, adquirieron una computadora cuántica en su búsqueda por alcanzar la mayor velocidad de resolución de problemas y analizar datos de una forma más precisa.
El ordenador cuántico con el que cuentan Google y NASA es el famoso D-WAVE, el cual adquirieron en el 2013, y ambas entidades han colaborado en su desarrollo. Este ordenador les permite realizar trabajos de investigación y desarrollo de manera mucho más rápida, especialmente en los trabajos de inteligencia artificial que vienen desarrollando, sobre todo Google, que ya ha comenzado a realizar pruebas para hacer de su navegador “Chrome” lo suficientemente seguro ante las posibles amenazas que la computación cuántica traiga consigo, debido a que las propiedades y capacidades de la computación cuántica para el procesamiento de información son tan grandes que los protocolos y sistemas de seguridad que actualmente se emplean en la red se verían seriamente comprometidos de no realizarse modificaciones.
IBM acaba de poner a disposición su ordenador cuántico, a cualquier persona mediante Internet.
Este ordenador se encuentra en su laboratorio de YorkTown Heights, New York. Será posible utilizarlo desde cualquier ordenador y en cualquier parte del mundo, mediante un software descargable.
Así, IBM, pone en marcha una iniciativa por la cual cualquier científico, investigador o programador puede encontrar errores y proponer mejoras, además de tener la oportunidad de trabajar con una máquina súper poderosa que resolvería problemas que para una computadora ordinaria tomaría mucho más tiempo.
Pues bien, la superposición y el entrelazamiento nos permiten reducir esas limitaciones: con la superposición podemos almacenar muchos más que solo 2^n estados, con n bits cuánticos (qubits), y el entrelazamiento mantiene fijas ciertas relaciones entre qubits de tal forma que las operaciones en un qubit afectan forzostamente al resto.
Esos ordenadores cuánticos probablemente no serían más que una curiosidad científica sin el segundo concepto, el entrelazamiento, que permite desarrollar dos algoritmos bastante relevantes:
El temple cuántico en 1989, y
El algoritmo de Shor en 1994.
El primero, permite encontrar valores mínimos de funciones, que así dicho no suena muy interesante, pero tiene aplicaciones en inteligencia artificial y aprendizaje automático.
El segundo algoritmo de Shor, nos sirve para descomponer un número en sus factores primos de manera mucho más eficiente de lo que se pueda lograr en un ordenador normal.
RSA, uno de los algoritmos más usados para proteger y cifrar datos en Internet, se basa en que factorizar números es exponencialmente lento.
Hasta ahora, la computación cuántica es un campo que no se ha aplicado lo suficiente en el mundo real.
En 1998, se presentó el primer ordenador cuántico (solo dos qubits, el que necesitaba una máquina de resonancia magnética nuclear, para resolver un problema «de juguete»).
En 2001 se ejecutó por primera vez el algorimo de Shor.
En 2007, D-Wave, presentaba su primer ordenador capaz de ejecutar el temple cuántico con 16 qubits.
Este año, la misma compañía, anunciaba un ordenador de temple cuántico de 2000 qubits.
Los nuevos computadores de IBM, aunque con menos qubits, son capaces de implementar algoritmos genéricos y no solo el del temple cuántico.
El algoritmo del temple cuántico es muy apropiado para problemas de aprendizaje automático, lo cual hace de los ordenadores, que lo implementan, extermadamente útiles, aunque lo único que pueda sea ejecutar ese único algoritmo.
Si se puede desarrollar sistemas que, ejemplo, sean capaces de transcribir conversaciones o identificar objetos en imágenes y capaces de «traducir» para entrenarlos en ordenadores cuánticos, los resultados podrían ser órdenes de magnitud mejores que los ya existentes.
El mismo algoritmo también se podría usar para encontrar soluciones a problemas en medicina o química, como encontrar los métodos óptimos de tratamiento para un paciente o estudiar las posibles estructuras de moléculas complejas.
Los ordenadores cuánticos genéricos, aunque disponen de menos qubits, sí podrían ejecutar más algoritmos y usarse para romper gran parte de la criptografía usada ahora, lo cual explica por qué la NASA quería tener un ordenador cuántico.
También servirían como buscadores super rápidos si se consigue implementar el algoritmo de búsqueda de Grover, además, para física y química podrían ser muy útiles como simuladores eficientes de sistemas cuánticos.
Por desgracia, los algoritmos y códigos para ordenadores clásicos no se podrían usar en ordenadores cuánticos y obtener una mejora en velocidad: es necesario desarrollar un algoritmo cuántico (cosa no trivial) e implementarlo para obtener esa mejora.
Sin embargo, el principal problema al que se enfrenta la computación cuántica es construir los ordenadores.
Comparado con un ordenador normal, un ordenador cuántico es una máquina extremadamente compleja: funcionan a una temperatura cercana al cero absoluto (-273 ºC), el soporte de qubits son superconductores y los componentes para leer y manipular los qubits, no son sencillos en absoluto.
Además, los qubits no suelen ser estables, en el sentido de que son muy sensibles a las perturbaciones y al ruido. Lo que puede llevar a errores en los cálculos.
De momento, parece que la computación cuántica se va a limitar a empresas grandes que puedan aplicar a problemas complejos ycostosos computacionalmente, un poco similar a los inicios de la computación clásica.
Probablemente cada vez habrá ordenadores cuánticos más potentes, llegando a lo que Google decía acerca de la supremacía cuántica a partir de la cual los ordenadores cuánticos podría resolver problemas para los que ni el supercomputador más grande tiene suficientes recursos.
Empresas como Google, Microsoft o IBM podrían usar los ordenadores cuánticos para entrenar de manera más eficiente sistemas de aprendizaje automático, o para fines científicos simulando proteínas o sistemas cuánticos.
A largo plazo, ¿qué podemos esperar? A priori y con los materiales que se están construyendo los ordenadores cuánticos, no parece que la miniaturización sea demasiado factible. Pero ya hay investigaciones sobre nuevos materiales que podrían servir para crear ordenadores cuánticos más accesibles. Quién sabe si de aquí a cincuenta años podamos comprar «CPUs cuánticas» para mejorar la velocidad de nuestros ordenadores.
La computación cuántica traerá fenómenos nuevos con normas originales que cambiarán casi todo lo que conocemos y creemos saber sobre la informática. Gracias a la superposición, un comportamiento físico particular, esta nueva computación puede resolver problemas que ni toda la memoria de la computación convencional podría solucionar al día de hoy.
Empezando por el principio, comparemos y recordemos que la computación actual trabaja en bits. Tu ordenador solo sabe “leer” la información en dos estados: cero, o uno (encendido o apagado). Para los bits tenemos normalmente solo voltajes: aplicamos 3V en un alambre = 1; aplicamos 0.5V en el mismo alambre = 0. Y todo lo que se hace en un ordenador es transcrito a este sistema por transistores, una suerte de pequeñas cajitas que pueden almacenar energía y liberarla cuando sea necesario.
Entender a los transistores es importante para la comparación: cuando una cajita tiene electricidad almacenada interpretamos un 1, y cuando no, un 0. Se utilizan unos 6 transistores por bit y, además, hay unos circuitos llamados puertas lógicas, que miden el estado de las cajitas y guardan energía en nuevas cajitas en función de los estados que miden. Ejemplo, la puerta OR mide si hay electricidad en dos cajitas y, únicamente si hay electricidad en alguna de ellas guarda electricidad en otra cajita.
El límite técnico podría parecer una exageración, hacer ordenadores más grandes y, ya está; pero, no es así. El límite se torna evidente cuando pensamos que ni todos los ordenadores clásicos del mundo son lo suficientemente inteligentes para resolver problemas de optimización cuando la cantidad de datos es demasiado grande. Y en este momento de la historia, como civilización, generamos inmensas cantidades de datos: climáticos, poblacionales, geonómicos, patrones de comportamiento… No podemos crear versiones útiles o patrones de ellos por la imposibilidad de que un ordenador clásico los asimile todos.
La diferencia que hace especial a la tecnología cuántica y por lo que tiene un potencial tan inmensamente grande, es que sus bits trabajan también con la superposición de ambos estados: encendido y apagado. Esto pasa porque el proceso no ocurre mecánicamente, sino debido a las normas de la física cuántica. Al aplicar la ‘lógica’ cuántica al mundo de la informática, se consiguen resolver problemas a toda velocidad, paralelamente, y con multitud de resultados para cada variable.
Los bits de la computación cuántica se llaman qubits. Igual que un bit, un qubit representa una unidad básica de información, pero una unidad de información cuántica, que se rige por las normas de la física cuántica y por ello el qubit puede ser 0 o 1, o algo entre estos. De hecho, puede ser 1 y 0, paralelamente.
Por su parte, el efecto ‘contenedor’ de los transistores y puertas lógicas se sustituyen por otros procesos más complicados y hay varios, pero la idea es la misma: ‘aislar’ al qubit como ocurre dentro del transistor.
Formas de hacer un ordenador
Los ordenadores cuánticos varían entre sí dependiendo de la forma en la que se las arreglen para aislar y conducir a los qubits, pero siempre nos interesa crear lo mismo que en el transistor: conseguir que se relacionen solo cuando nosotros queramos, hay varios sistemas para lograrlo.
Alejandro Pozas-Kerstjens, Máster en Física Teórica por el Perimeter Institute for Theoretical Physics en Canadá y cursado un Doctorado en Teoría Cuántica de la Información en el ICFO, comenta para Gizmodo en Español:
Esta es la tecnología que más éxito tiene en las empresas actualmente. Ejemplo, IBM tiene un ordenador cuántico 16, de estos circuitos superconductores que cualquiera puede controlar desde casa, a través de la web.
También están iones atrapados. En este proceso el ordenador cuántico usa iones (átomos a los que se les ha quitado uno o varios electrones) como qubits en un estado determinado y los mantiene atrapados en trampas láser, para luego combinarlos según el cálculo a realizar.“El 0 y el 1 se identifican con distintas distribuciones de los electrones restantes, o con distintas posiciones del espín nuclear. Las operaciones se hacen a través de láseres que modifican las posiciones” amplía, Alejandro.
Por último, otra tecnología muy conocida es la de espines nucleares. Estos utilizan estados de espín de moléculas enteras como qubits. El espín es una propiedad física de las partículas elementales, pero para el caso que nos ocupa, basta entender que las moléculas están en un estado determinado y las operaciones se implementan cambiando su estado a uno nuevo con resonancia magnética (sí, la misma de las pruebas médicas).Tuvo mucha presencia, originalmente, porque las condiciones necesarias para hacer computaciones no eran tan restrictivas como en otros casos, pero últimamente se ha visto que podría no sea la mejor opción”.
Con lo dicho, podría parecer que el ordenador hace magia por su cuenta. Sí y no. No es magia, son leyes físicas, pero sí ocurre ‘espontáneamente’ de la misma forma que los imanes de carga opuesta se pegan entre ellos o la gravedad hace que las cosas caigan. Con la computación cuántica solo nos hemos percatado de normas nuevas que crean fenómenos nuevos que podemos aprovechar.
Una de ellas es que los átomos y moléculas, cuando no forman parte de estructuras más grandes, se rigen bajo unas normas ‘distintas’ a las que vemos en nuestro mundo cotidiano. Estas normas son las que dicta la física cuántica y, en concreto, la que usa la computación cuántica es la superposición.
Se basa en un fenómeno llamado dualidad de partícula-onda, u onda-partícula. Hablamos de un comportamiento que se observa en partículas subatómicas, como los electrones de la carga eléctrica. Este fenómeno es tal, que el comportamiento de un flujo de electrones que son partículas, es como el de ondas bajo ciertas condiciones.
Una onda consiste en la propagación de una perturbación de alguna propiedad, implicando un transporte de energía sin transporte de materia. Ejemplo, una onda fácil de imaginar es la acústica. Una partícula subatómica es aquella que es más pequeña que el átomo, como lo es un electrón, pero tiene una masa y posición concretas.
Por tanto, por extraño que pueda parecer, las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa. Y, de acuerdo con la ley cuántica, cuando este fenómeno se da, la partícula entra una superposición de estados, con los que se comporta como si estuviera en ambos de forma simultánea o en un punto intermedio entre los dos.
“Mientras que los objetos clásicos están en un estado u otro (pero siempre uno determinado), el estado de un sistema cuántico puede ser una superposición de varios estados posibles. Para esto se suele utilizar la analogía de la moneda: si los dos estados de una moneda fueran estar en cara o en cruz, entonces un estado cuántico sería una superposición de las dos” según, Alejandro Pozas Kerstjens.
La computación cuántica intenta usar la superposición de estados para poder ejecutar más de un cómputo a la vez. Como los electrones del qubit puede ser 0 y 1 al mismo tiempo, comprueba el sí y el no, de cada suposición paralelamente, lo que nos permite tener ordenadores muchísimo más rápidos. Por supuesto, no garantiza más rapidez para todos los problemas; pero, sí, en los que puedan aprovechar ese paralelismo.
“Imagine un programa determinado que tome dos números y un bit adicional y hace lo siguiente: si el bit adicional está en el estado 0, entonces el programa suma los dos números y da el resultado, y si el bit está en el estado 1, el programa resta los números y da el resultado. Si quisiera obtener la suma y la resta de dos números, tendría que correr el programa dos veces: uno con el bit adicional en 0 y otro con el bit en 1. En un ordenador cuántico, dado que el qubit puede estar en una superposición de 0 y 1, el programa corre las dos instrucciones ‘en paralelo’, y con correrlo una vez se puede conseguir un resultado que sea la superposición de la suma y la resta de los números.
Simplificándolo mucho para el caso que nos ocupa, estos son los elementos físicos que llevan a cabo los cálculos que nosotros mandamos hacer a través de programas y apps.
Este sistema tan ‘mecánico’ hace que la velocidad a la que un ordenador puede procesar la información sea lineal a la cantidad de bits que posea, dependa del hardware y por defecto tenga un límite técnico.
