Computación cuántica: el salto ya está aquí
Por Ernesto Guerra
Aunque parezca difícil de creer, la computación asiste a lo que podría ser una, hasta hoy mítica, transformación definitiva. Y no se trata de una memoria RAM más potente o una CPU con mayor cantidad de núcleos.
La llamada revolución cuántica se desarrolla cada vez más de prisa. Inversiones de entidades norteamericanas en la nueva tecnología sugieren que la prometida era de la cuántica en la computación no se encuentra tan lejos como se pensó y que, más pronto de lo esperado, los qubits — equivalentes cuánticos de los bits — marcarán pauta en el diseño y programación de máquinas.
Desde hace unos cuatro años, la Agencia Espacial Norteamericana (NASA) se unió a Google en la compra de un modelo de ordenador cuántico de 15 millones de dólares. Ahora IBM anuncia que pronto el ordenador cuántico llegará al público con un nuevo prototipo, más rápido que cualquier máquina existente.
De los bits a los qubits
La computación cuántica es un paradigma que intenta trascender las limitaciones físicas de la actual construcción de hardware. Ya desde el año 1981 Paul Benioff planteó la posibilidad de utilizar las leyes de la mecánica cuántica en el ámbito computacional. Su teoría estaba condicionada por la imposibilidad de reducir de manera infinita el tamaño de los componentes computacionales.
El causante es el llamado efecto túnel pues, en determinadas escalas a nivel nanométrico, los electrones se escapan de los canales por donde deben circular.
Las partículas tradicionales suelen hallar un obstáculo y, en lugar de atravesarlo, lo rebotan. Sin embargo, en el caso de los electrones, al tratarse de partículas cuánticas, su comportamiento como onda les otorga la posibilidad de atravesar las paredes del material que los contiene, de modo tal que pueden moverse por canales donde no deben. De ese modo, el chip dejaría de funcionar correctamente.
Después de Benioff, el brillante físico teórico Richard Feynman, durante una charla en 1982, enfatizó que la informática tradicional era incapaz de simular sistemas cuánticos, principalmente por la cantidad de estados que alcanzan estos.
Para entender el fenómeno podemos tomar, por ejemplo, una mesa de billar. Un sistema tradicional calcularía la trayectoria de una bola en sus ejes y todo estaría solucionado.
Sin embargo, si creáramos una mesa cuántica de billar, el sistema se complicaría a partir de dos bolas. Con una pareja, nos interesaría el movimiento de cada una en sus ejes y respecto a las trayectorias del resto de las bolas presentes. De ese mismo modo, la computación cuántica propone una vuelta de tuerca al sistema binario tradicional.
Mientras en las prácticas usuales existen una serie de algoritmos binarios que responden con ceros y unos, los sistemas cuánticos pueden ofrecer cálculos al ser su estado cero: uno y cero y uno a la vez. A eso se llama superposición de estados. Así, las posibilidades de resolución de problemas aumentan de manera exponencial con cada qubit que integre el sistema.
Cada qubit indica cuántos bits pueden superponerse. Tradicionalmente, un sistema de tres bits daba la posibilidad de tomar uno de ocho valores, pero con los qubits, podría tomar los ocho de manera simultánea.
De hecho, un ordenador de 30 qubits sería equivalente a diez millones de millones de operaciones por segundo en uno tradicional.
Los años 90 del siglo XX revolucionaron la computación cuántica. Aparecieron los primeros algoritmos basados en ese modelo, pues los que funcionaban con la informática tradicional eran inservibles ante el nuevo panorama.
Así, llegaron los primeros dispositivos y aplicaciones que podían solucionar problemas con cálculos cuánticos.
En la mitad de esa década, Peter Shor, científico estadounidense de AT&T Bell Laboratories, construyó un algoritmo que lleva su nombre y permite calcular factores primos más rápidamente que en cualquier computador tradicional.
Para 1997, tras la aparición de varios algoritmos y teorías, tuvieron lugar los primeros experimentos prácticos, hecho que posibilitó demostrar si lo predicho por los científicos se cumplía o no.
Dos años más tarde, investigadores de Los Álamos y el Instituto Tecnológico de Massachusets propagaron el primer qubit a través de una solución de aminoácidos.
También en 1999 apareció la máquina 2-Qbit; su sucesora, 3-Qbit fue capaz de ejecutar algoritmos cuánticos.
Tras varios avances del gigante IBM, la empresa se unió a la Universidad de Stanford y, en 2001, logró que se ejecutara por primera vez el Algoritmo de Shor de manera exitosa con el uso de un computador cuántico de 7-Qbit.
Más tarde se logró encadenar 8-Qbit para formar el primer Qubyte, y en 2007 la empresa D-Wave Sytems, de Canadá, presentó en Silicon Valley una máquina que utilizaba algunos principios de mecánica cuántica en su construcción, sin llegar a considerarse computadora cuántica.
D-Wave Systems fue, igualmente, la primera empresa en vender un ordenador de este tipo, en el año 2011. Y volvió a ser noticia en 2013, por fabricar el que la NASA compartió con Google.
El presente del ordenador cuántico
Aunque D-Wave Systems marca la venta de computadoras cuánticas, IBM le sigue los pasos, y no de forma discreta.
La corporación estadounidense pretende democratizar la computación cuántica y hacerla universal. Recientemente anunció que los primeros equipos tendrán utilidad para los negocios y la ciencia.
Con el nombre de IBM Q, la nueva máquina podrá superar a cualquiera de las supercomputadoras que funcionan actualmente en el mundo entero y su sistema de soporte tendrá base en la nube, aunque no se develó la fecha exacta en que llegará.
Un vocero de la empresa aseguró que “los ordenadores cuánticos ofrecerán soluciones a problemas donde los patrones no pueden ser vistos y las posibilidades que se necesita explorar para llegar a las respuestas son enormes”.
Los IBM Q tienen como propósito “expandir la aplicación de la computación cuántica”, y se trabaja en sistemas con 50 qubits.
Según reporta el sitio nobbot.com, IBM ha anunciado que entre las futuras aplicaciones estaría “el descubrimiento de nuevos medicamentos y materiales ya que será posible desentrañar la complejidad de las interacciones moleculares y químicas”. También se podrá usar para “sistemas globales de logística y cadenas de suministro más eficientes”.
Pero todavía existe mucho por avanzar para que la computación cuántica se democratice por completo. Cómo se almacenará la información cuántica y cómo reducir los costos actuales de producción de los futuros ordenadores, son algunos de los retos.
Por lo pronto, los investigadores de IBM dijeron que en la primera mitad de este año lanzarán un SDK (Software Development Kit) “para que los usuarios construyan aplicaciones cuánticas simples y programas de software, con lo cual podrían conectarse con el ordenador cuántico de IBM a través de la nube, para ejecutar algoritmos y experimentos, trabajar con los bits cuánticos individuales, explorar tutoriales y simulaciones en torno a lo que sería posible con la computación cuántica”. Solo queda esperar.
