La informática cuántica es un proceso que utiliza las leyes de la mecánica cuántica para resolver problemas demasiado grandes o complejos para los ordenadores tradicionales, lo que comúnmente conocemos como supercomputación. Un ordenador cuántico resuelve problemas matemáticos y ejecuta modelos cuánticos utilizando los principios de la teoría cuántica. Tienen un gran potencial para ser aplicados a los campos de la ciencia y la industria.
¿Qué es un ordenador cuántico?
La informática cuántica es una tecnología emergente que aprovecha las leyes de la mecánica cuántica para resolver problemas que suelen ser demasiado complejos para los ordenadores clásicos. La computación cuántica es un área de la informática que utiliza los principios de la teoría cuántica, que explica el comportamiento de la energía y la materia a nivel atómico y subatómico. A grandes rasgos, la informática cuántica utiliza partículas subatómicas, como electrones o fotones. Los bits cuánticos, o qubits, permiten que estas partículas existan en más de un estado (es decir, 1 y 0) al mismo tiempo. En teoría, los qubits enlazados pueden explotar la interferencia entre sus estados cuánticos ondulatorios para realizar cálculos que, de otro modo, tardarían millones de años.
El primer ordenador cuántico
En 1998, Isaac Chuang, del Laboratorio Nacional de Los Álamos, Neil Gershenfeld, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), y Mark Kubinec, de la Universidad de California en Berkeley, crearon el primer ordenador cuántico (2 qubits) que podía cargarse con datos y dar como resultado una solución. Aunque su sistema sólo era coherente durante unos pocos nanosegundos y trivial desde el punto de vista de la resolución de problemas significativos, demostraba los principios de la computación cuántica.
La computación cuántica está llamada a revolucionar una amplia gama de campos, como el diseño de fármacos, la criptografía y la investigación médica y científica
¿Qué es un ordenador cuántico y para qué sirve?
La computación cuántica tiene la capacidad de cribar un enorme número de posibilidades y extraer posibles soluciones a problemas y retos complejos. La informática cuántica es una tecnología computacional que utiliza los principios de la mecánica cuántica, como el entrelazamiento, la superposición y la interferencia, para procesar, almacenar y manipular grandes cantidades de datos y realizar cálculos complejos para los sistemas informáticos convencionales y los superordenadores.
¿Qué son los qubits?
Mientras que los ordenadores clásicos almacenan la información en forma de bits con 0 o 1, los cuánticos utilizan qubits. Teóricamente, los qubits enlazados pueden explotar la interferencia entre sus estados cuánticos ondulatorios para realizar cálculos que, de otro modo, tardarían millones de años. Los ordenadores clásicos actuales emplean un flujo de impulsos eléctricos (1 y 0) de forma binaria para codificar la información en bits. Esto limita su capacidad de procesamiento, en comparación con la informática cuántica.
¿Cómo funciona un ordenador cuántico?
Los ordenadores cuánticos comparten algunas propiedades con los clásicos. Por ejemplo, ambos tipos de ordenadores suelen tener chips, circuitos y patrones lógicos. Sus operaciones están dirigidas por algoritmos (básicamente instrucciones secuenciales) y utilizan un código binario de unos y ceros para representar la información.
Ambos tipos de ordenadores utilizan objetos físicos para codificar esos unos y ceros. En los ordenadores clásicos, estos objetos codifican bits (dígitos binarios) en dos estados: por ejemplo, una corriente está encendida o apagada, un imán apunta hacia arriba o hacia abajo. Los ordenadores cuánticos utilizan bits cuánticos, o qubits, que procesan la información de forma muy diferente. Mientras que los bits clásicos representan siempre uno o cero, un qubit puede estar en una superposición de uno y cero simultáneamente hasta que se mide su estado.
Además, los estados de varios qubits pueden entrelazarse, lo que significa que están unidos entre sí por mecanismos cuánticos. La superposición y el entrelazamiento confieren a los ordenadores cuánticos capacidades desconocidas para la informática clásica.
La informática cuántica es una tecnología computacional que utiliza los principios de la mecánica cuántica para procesar, almacenar y manipular grandes cantidades de datos y realizar cálculos complejos
Componentes de un ordenador cuántico
Para comprender cómo funcionan los ordenadores cuánticos, es fundamental conocer los componentes que los forman, ya que cada uno cumple un papel esencial en el procesamiento de la información cuántica. A diferencia de los ordenadores tradicionales, estos sistemas requieren una infraestructura mucho más compleja y delicada, diseñada para crear, controlar y medir los qubits sin que pierdan sus propiedades cuánticas. En este apartado se describen los elementos principales que hacen posible su funcionamiento.
Qubits
Son el elemento fundamental. A diferencia de los bits clásicos, pueden estar en superposición (0 y 1 a la vez). Pueden implementarse de distintas formas: iones atrapados, circuitos superconductores, fotones, etc.
Sistema de refrigeración
Muchos ordenadores cuánticos (como los superconductores) necesitan temperaturas extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto. Para ello se requiere una refrigeración específica
Electrónica de control
Se encarga de manipular los qubits mediante señales para ejecutar operaciones cuánticas o “puertas lógicas cuánticas”.
Puertas cuánticas
Son las operaciones que se aplican a los qubits para procesar información, equivalentes a las puertas lógicas en la informática clásica, pero son capaces de aprovechar superposición y entrelazamiento.
Sistema de medición
Permite leer el estado final de los qubits, convirtiendo la información cuántica en resultados clásicos comprensibles.
Software y algoritmos cuánticos
Incluye los programas y algoritmos diseñados específicamente para este tipo de computación, como los que resuelven problemas de optimización o criptografía.
Infraestructura y aislamiento
Los qubits son extremadamente sensibles al entorno, por lo que se necesita aislamiento frente a vibraciones, ruido electromagnético y otras interferencias.
La superposición cuántica y el entrelazamiento cuántico
La superposición implica que el sistema cuántico es capaz de estar en varios estados diferentes al mismo tiempo. Por ejemplo, consideremos el lanzamiento de una moneda. Al lanzar la moneda, acaba saliendo cara o cruz. Sin embargo, si consideramos el estado de la moneda cuando está suspendida en el aire, tiene cara y cruz simultáneamente. Del mismo modo, las partículas cuánticas, como los electrones, se encuentran en un estado de superposición cuántica hasta que se miden. Como resultado, el factor «incertidumbre» se elimina en los ordenadores cuánticos.
Por su parte, el entrelazamiento cuántico se refiere al enmarañamiento de dos o más qubits mediante el establecimiento de una correlación entre ellos. Cuando los qubits están entrelazados, cualquier cambio en uno de ellos afecta invariablemente a los demás sin excepción. Por ejemplo, supongamos que se introduce un qubit adicional en un ordenador de 60 qubits. En ese caso, el ordenador cuántico puede evaluar 260 estados simultáneamente. Añadir un qubit junto con la propiedad de entrelazamiento permite al ordenador realizar cálculos más rápido de lo habitual. De ahí que los algoritmos de computación cuántica utilicen el entrelazamiento cuántico para acelerar el procesamiento de datos.
La incoherencia cuántica
Lograr y mantener la coherencia es uno de los problemas más difíciles de la informática cuántica. Gracias al principio de incertidumbre, los qubits actúan como si poseyeran un rango infinito de valores entre 0 y 1, lo que permite a un sistema con sólo unos pocos qubits realizar cálculos enormes de un solo golpe. Pero este estado de superposición sólo existe si el sistema físico que representa a los qubits es «coherente», es decir, está aislado del entorno exterior. La más mínima interferencia provoca el colapso de la superposición.
¿A qué temperatura trabaja un ordenador cuántico?
Investigadores del MIT señalan que el calor provoca errores en los qubits, que son los componentes básicos de un ordenador cuántico, por lo que los sistemas cuánticos suelen mantenerse con sistemas de refrigeración que mantienen la temperatura justo por encima del cero absoluto (-459 grados Fahrenheit o -272 grados centígrados). Los ordenadores cuánticos deben comunicarse con componentes electrónicos situados fuera de ese sistema de refrigeración, a temperatura ambiente. Los cables metálicos que conectan estos componentes aportan calor al sistema de refrigeración, que tiene que trabajar aún más y consumir más energía para mantener frío el sistema. Además, más qubits requieren más cables, por lo que el tamaño de un sistema cuántico está limitado por la cantidad de calor que puede eliminar el sistema refrigerador.
Diferencias entre un ordenador cuántico y uno tradicional
Velocidad
La computación cuántica puede ser mucho más rápida que la clásica. En la informática clásica, la velocidad de los transistores limitan la velocidad del procesador. La informática cuántica, en cambio, puede realizar ciertos cálculos exponencialmente más rápido que la informática clásica debido al fenómeno del paralelismo cuántico.
Capacidad
La computación cuántica es capaz de realizar cálculos más allá de las capacidades de los ordenadores clásicos. La computación cuántica, por ejemplo, puede factorizar grandes números más rápido que la computación clásica.
Resolución de problemas y cálculos
Los algoritmos cuánticos son capaces de aprovechar la superposición, el entrelazamiento y otras características que no son posibles en la computación clásica.
Tasa de errores
La informática cuántica tiene una tasa de error mucho mayor que la informática clásica. Los qubits pueden entrelazarse fácilmente con otras partículas y, por tanto, son susceptibles de cometer errores. Los ordenadores cuánticos necesitan mecanismos de corrección de errores más complejos que los de la informática clásica.
Costes
Los ordenadores cuánticos cuestan más que los tradicionales. Se debe a que es difícil construir y mantener qubits, y se necesita equipo especializado para utilizarlos. Sólo un pequeño número de instituciones dedicadas al ámbito de la investigación disponen de los recursos necesarios para construir y utilizar ordenadores cuánticos.
Usos y aplicaciones
La computación cuántica está llamada a revolucionar una amplia gama de campos, como el diseño de fármacos, la criptografía y la investigación médica y científica. La computación clásica se utiliza en diversos sectores, como las finanzas, la industria manufacturera y la investigación científica.
Algunos expertos calculan que los precios pueden oscilar entre los 5.000 dólares si solamente se requieren 2 qubits de procesamiento. Cada qubit adicional suele costar cerca de 10.000 dólares, y si hablamos de sistemas con 50 quibts, el coste puede ascender a 10 millones de dólares. No está al alcance de cualquier bolsillo.
Paralelismo en un ordenador cuántico
Se refiere a la capacidad de los sistemas cuánticos de realizar múltiples cálculos simultáneamente, lo que permite una enorme aceleración de cálculos respecto a la computación clásica. Esta aceleración se consigue mediante la superposición cuántica, que permite que los qubits existan en una superposición de estados, en lugar de los dos estados de los bits clásicos (0 o 1).
¿Qué es un procesador cuántico?
Como ya hemos comentado, mientras que la computación tradicional almacena y procesa datos en bits binarios, como ceros y unos, un ordenador cuántico utiliza qubits que pueden ser cero, uno o ambos a la vez. Esto aumenta exponencialmente la capacidad de procesamiento de cada qubit añadido, lo que les permite realizar cálculos que son imposibles para los ordenadores convencionales. De ahí la necesidad del sistema de requerir procesadores cuánticos capaces de llevar a cabo todos los cálculos. A finales de 2022, IBM presentó su propuesta Osprey, con 433 qubits.
¿Cuál es el precio de un ordenador cuántico?
La computación cuántica es una tecnología que está avanzando rápidamente, pero aún se encuentra en sus primeras fases de desarrollo. Y por lo tanto, no es precisamente barata. Es necesario tener en cuenta el tipo de sistema que se desea adquirir, el número de qubits necesarios y el nivel de soporte requerido por parte del fabricante de la máquina.
Algunos expertos calculan que los precios pueden oscilar entre los 5.000 dólares si solamente se requieren 2 qubits de procesamiento. Cada qubit adicional suele costar cerca de 10.000 dólares, y si hablamos de sistemas con 50 quibts, el coste puede ascender a 10 millones de dólares. No está al alcance de cualquier bolsillo.
¿Cualquier persona puede comprar un ordenador cuántico?
Sí, es posible comprar un ordenador cuántico en 2023. Sin embargo, los ordenadores cuánticos aún no están ampliamente disponibles para el gran público y actualmente son muy caros y extremadamente difíciles de fabricar. Por eso, están de momento más pensados para universidades, centros de investigación y empresas vinculadas a los sectores farmacéuticos, Administraciones Públicas, manufactura y empresas logísticas.
¿Qué países tienen computador cuántico?
Austrialia, Canadá, China (APAC), la Unión Europea (España entre ellos a través del proyecto Quantum Spain que ya está en marcha), Francia, Alemania, India, Israel, Japón, Países Bajos, Rusia, Singapur, Corea del Sur, Reino Unido, y Estados Unidos, son los países que de momento están apostando por la inversión en tecnologías cuánticas.
Aplicaciones de los ordenadores cuánticos
Los ordenadores cuánticos son una nueva generación de sistemas de computación que aprovechan principios de la física cuántica, como la superposición y el entrelazamiento, para procesar información de manera muy diferente a los ordenadores tradicionales. Aunque aún están en desarrollo, se espera que tengan un gran impacto en campos como la medicina, la criptografía, la inteligencia artificial y la optimización de procesos. A continuación, pasamos a detallar algunos de sus potenciales usos.
Simulación de moléculas y materiales
- Diseño de nuevos fármacos (simular cómo interactúan moléculas complejas)
- Desarrollo de materiales avanzados (superconductores, baterías más eficientes)
Criptografía y seguridad
- Podrían romper sistemas actuales de cifrado como RSA
- También permitirían crear criptografía cuántica prácticamente imposible de hackear
Optimización de problemas complejos
Muy útil en situaciones con muchísimas variables:
- Rutas de transporte y logística
- Gestión del tráfico
- Optimización de carteras financieras
Inteligencia artificial y machine learning
- Aceleración de ciertos algoritmos de aprendizaje
- Mejora en el análisis de grandes volúmenes de datos
Modelado de sistemas complejos
- Predicción climática más precisa
- Simulación de sistemas económicos
- Estudios sobre física fundamental
Energía y sostenibilidad
- Optimización de redes eléctricas
- Mejora en la fusión nuclear
- Diseño de catalizadores para reducir emisiones
Investigación científica avanzada
- Física de partículas
- Cosmología
- Nuevas teorías del universo
Algunos ejemplos de ordenadores cuánticos comerciales
IBM fue el primero en presentar, hace ya algún tiempo, el equipo Q System One, el primer ordenador cuántico comercial. Hoy, ya disponible, aún sigue siendo un prototipo, y es complicado valorar su alcance real. Origin Quantum en China ya también tiene su propio sistema cuántico comercial compuesto por 24 qubits, todo un hito frente a los 20 qubits de IBM. En cualquier caso, aún queda mucho camino por recorrer para poder alcanzar la meta de la carrera cuántica, pero en los próximos años seremos testigos de su gran evolución.
