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Ordenador cuántico, la guía definitiva



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Descubre en este reportaje todo qué es un ordenador cuántico, sus diferencias frente a los supercomputadores tradicionales, su funcionamiento y características, y algunas peculiaridades, como su precio o sus usos comerciales

Publicado el 24 ago 2023

Lucía Bonilla

Directora Data Center Market y Redes&Telecom



Ordenador cuántico
¿Qué es un ordenador cuántico?

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.

¿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.

Mientras que los ordenadores clásicos almacenan la información en forma de bits con 0 o 1, los cuánticos utilizan qubits.

¿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 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.

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.

La computación cuántica es una tecnología que está avanzando rápidamente, pero aún se encuentra en sus primeras fases de desarrollo.

¿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.

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.

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