El cúbit, la unidad fundamental de la computación cuántica y Qiskit
Al realizar mis estudios de licenciatura en física encontré la vital importancia de divulgar la ciencia en términos fáciles de asimilar. También comprendí que esto se puede lograr sin sacrificar completamente su contenido, al contrario, revisitar estos conceptos y hacerlos más digeribles puede implicar un enriquecimiento y expansión de la definición en sí. Mi objetivo al escribir este artículo es mostrar un vistazo breve a las propiedades de los cúbits, dar unos pasos dentro de la computación cuántica con un enfoque práctico y así mostrar las increíbles posibilidades que yacen en este ámbito, para ello haré uso de varios recursos incluyendo el kit de desarrollo de software llamado Qiskit.
Pero primero, ¿Qué es un cúbit?
Un cúbit o bit cuántico es la unidad fundamental de información de la computación cuántica, análogo a lo que es un átomo a la materia. Mientras que un bit tradicional o clásico puede tener un sólo valor del sistema binario, 0 o 1, un cúbit haciendo uso de sus propiedades cuánticas puede ser ambos simultáneamente.
Un ejemplo del comportamiento de un bit clásico pudiera ser una persona, a quien llamaremos María, la cual se encuentra en alguna parte del globo terráqueo. Si María nos dicta la información de su ubicación, por ejemplo Australia, y si ésta no cambia con el tiempo, siempre será posible conocer donde ella estará.
Ahora supongamos que le preguntamos a María en dónde se encontrará el lunes por la mañana y ella responde que pudiera estar en Australia aunque hay posibilidad de que por motivos de viaje esté cruzando el Océano Índico. En este caso tenemos dos ubicaciones probables y no podremos conocer previamente su lugar a menos que preguntemos de nuevo al momento, sin embargo, pudiéramos interpretar al menos en que hay mayor probabilidad de hallar a María en Australia que en el océano.
En ambas situaciones podremos conocer la ubicación de María, aunque en el último caso se maneja una incertidumbre de dos posibles lugares que no es aclarada hasta que la pregunta es hecha. Mientras la pregunta no sea realizada, entonces se puede considerar que los dos escenarios son posibles como parte de la respuesta.
Este comportamiento respecto a la información es parecido al que existe entre el bit y el cúbit. Un bit clásico sólo podrá tener un solo valor, 0 o 1, mientras que el bit cuántico manejará la superposición de estos dos estados junto a sus respectivas probabilidades, hasta ser medido — o hacer la pregunta en el ejemplo de María —tal que la característica cuántica colapsará y se convertirá en un bit tradicional finalmente.
Y, ¿Cómo se pueden representar estos estados?
Los estados de un cúbit pueden ser representados como un punto en una esfera de radio unidad conocida como esfera de Bloch. Esta representación geométrica nos permitirá visualizar algunos estados cuánticos básicos y para ello incorporaremos una herramienta llamada Qiskit, la cual es un kit de desarrollo de software de sistemas cuánticos creado por IBM. De esta manera brindaremos un concepto visual alrededor de la definición del bit cuántico.
En estos dos códigos se encuentran representados los estados 0 y 1 respectivamente, los cuales podemos observar que se hallan opuestos uno al otro a lo largo de un mismo eje. A pesar de que no profundizaremos en este artículo acerca de las características de la esfera de Bloch, podemos considerar una noción de estos estados descritos anteriormente como vectores con sentido “arriba” y “abajo”. Así mismo, un bit clásico sólo podrá ser uno de estos valores a la vez, es decir, sólo una de las esferas, mientras que el bit cuántico podría ser ambos valores al mismo tiempo.
Es decir, ¿Ambos vectores con sentido “arriba” y “abajo” estarían en una misma esfera?
Exacto. Ahora si se considera la superposición de estos estados en un cúbit con sus respectivas probabilidades, la cual se ve reflejada en el tamaño de los círculos sobre la superficie de la esfera, obtendremos esta esfera donde un mismo bit cuántico tendrá una componente en términos del estado 0 y 1, o “arriba” y “abajo”.
Otro ejemplo sería agregar otro bit y así plantear el caso del número de estados para un sistema con dos bits. Si los bits son clásicos, entonces cada uno tendrá valores 0 o 1, dando como resultado solo una de las posibles combinaciones entre ellos, es decir 00, 01, 10 o 11. Por otro lado, los bit cuánticos podrán ser 0 y 1 al mismo tiempo, lo que implica que pueden acceder a estos cuatro estados, o combinaciones descritas anteriormente, simultáneamente.
La relación es entonces que por cada n cúbits, existirán 2^n posibles estados disponibles a los cuales acceder simultáneamente. Y si trasladamos este poder de procesamiento a la vida real a través de la computación cuántica, ¡se tendría una velocidad de resolución exponencial en comparación a la computación clásica!
¿Quieres conocer más sobre la computación cuántica?
La comunidad de Qiskit ha realizado un libro de texto en inglés donde integra la teoría cuántica, la matemática de los algoritmos cuánticos y la aplicación de su software. A su vez, los códigos mostrados a lo largo del documento pueden ser ejecutados desde la nube a través de su plataforma llamada IBM Quantum Experience, en donde correr programas en sistemas reales es posible sin necesidad de instalar programas en una computadora local. Qiskit también posee un canal de Youtube donde se encuentran tutoriales amigables para principiantes en el área de computación cuántica, generando así otro aspecto didáctico al libro de texto mencionado anteriormente.
¡Écha un vistazo a este mundo cuántico y ve el primer episodio de “Programando en Computadoras Cuánticas” en Youtube con Abraham Asfaw! Recuerda activar los subtítulos en Español disponibles en el menú de configuración del vídeo.
¡Hasta una próxima ocasión!
