La revolución de la computación cuántica

La progresiva miniaturización de los chips de los ordenadores se está acercando al límite de las leyes físicas clásicas. La computación actual busca nuevos caminos, y la computación cuántica se presenta como una alternativa diferente y revolucionaria. Desde su programación hasta sus soportes, pasando por su arquitectura, sus algoritmos y sus unidades de información, este incipiente campo científico comienza a vislumbrar el futuro de la informática, pero todavía hace falta mucho tiempo y trabajo. 

La potencia de los ordenadores cuánticos es una buena razón para seguir investigando: un ordenador de este tipo podría realizar algunas tareas millones de veces más rápido que las "supercomputadoras" actuales. En 1965, Gordon Moore, cofundador de Intel y uno de los gurús de la tecnología de la información, hizo una predicción que se vio confirmada con bastante precisión: en las décadas siguientes la potencia de los ordenadores se duplicaría cada 18 meses. Este incremento se ha debido sobre todo a la miniaturización progresiva de los componentes electrónicos, pero las leyes físicas clásicas tienen una frontera: el mundo subatómico. 

En unos años, los nanocircuitos actuales no podrán continuar disminuyendo de tamaño porque entrarían en los dominios de las partículas subatómicas, donde rigen las leyes de la física de la mecánica cuántica. Entonces podría comenzar la era de la computación cuántica, pero es mucho más complejo de lo que parece, porque para ello habrá que redefinir muchos elementos de la computación actual, como su arquitectura, sus algoritmos o los elementos de hardware, por citar algunos ejemplos. Puede ser cuestión de años, de décadas o de siglos.

Al encuentro del Qubit

El bit (Binary Digit) es la unidad de información más pequeña manipulada por los ordenadores actuales. Adquiere el valor de un 0 o un 1 para el procesamiento y almacenamiento de datos, y puede materializarse en algo tan simple como que un condensador esté cargado o descargado.

Una agrupación de ocho bits (byte) ya permite representar todo tipo de información, como las letras del alfabeto y los dígitos del 0 al 9. Extrapolar este sistema a la computación cuántica presenta las primeras dificultades. "Un átomo simple no se comporta como un bit clásico. Puede estar tanto en 0 como en 1 como en los dos estados a la vez: es el qubit (Quantum Bit)", afirma Mariano Baig, del Grupo de Información Cuántica de la Universidad Autónoma de Barcelona.

"En un solo qubit - continúa el físico - se podría almacenar una cantidad ilimitada de información, jugando con los coeficientes de la superposición cuántica de los estados 0 y 1". Esta manifestación del principio de superposición cuántica potenciaría la capacidad de computación hasta límites abrumadores. Y es más, teóricamente sería posible preparar las partículas para registrar los infinitos estados existentes entre el 0 y el 1. Las desorbitadas posibilidades que ofrecería un ordenador de este tipo se potenciarían aún más por un extraño fenómeno cuántico: el entrelazamiento.

La intuición humana, acostumbrada al mundo clásico, conduce a confusiones en el mundo cuántico, y el entrelazamiento (entanglement, en inglés) es un claro ejemplo de ello. Esta propiedad implica correlaciones entre sistemas cuánticos que no tienen un análogo clásico y que dificultan su comprensión. "Si tu y yo compartimos un par de partículas - o qubits - que hemos manipulado para dejarlas en un estado entrelazado, y cada uno nos llevamos una separándolas tanto cuanto queramos, cuando las observemos encontraremos que están todavía relacionadas de alguna manera", explica Vicente Martín, del grupo de computación cuántica de la Facultad de Informática de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), España.

Es como si acuñamos dos monedas y las llevamos a distintos países: estén a la distancia que estén, si las tiramos al aire las dos darán siempre el mismo resultado, ya sea cara o cruz. Esta propiedad permite poner a trabajar a los qubits como un ingente conjunto de ordenadores en paralelo, aumentando su capacidad de almacenamiento y procesamiento de información a niveles extraordinarios. "Un computador cuántico que actuase sobre unos cientos de átomos podría realizar simultáneamente más computaciones que el número de átomos presentes en el universo visible", apunta una experta en información cuántica, Priscila García Fernández, del Instituto de Óptica del CSIC, en Madrid.

Un gran obstáculo de coherencia

Desde los inicios de la mecánica cuántica se conoce la extraña interacción existente entre un estado cuántico y su entorno: cualquier modificación del mismo transforma el sistema cuántico. De esta forma, si pretendemos observar el estado de un qubit cambiaremos automáticamente su estado, porque no es posible realizar dicha observación sin alterar el entorno. Entonces, ¿es imposible operar con qubits?. 

Los expertos del grupo de computación cuántica de la Facultad de Informática de la UPM afirman en un manifiesto conjunto que no, porque "existen códigos correctores de errores cuánticos", algo sorprendente si tenemos en cuenta que no se puede observar el estado cuántico. "Se ha demostrado - añaden - que la computación cuántica tolerante a fallos es viable por debajo de un determinado umbral de ruido", que en términos cuánticos se denomina decoherencia. Si se consigue que los cambios en el sistema cuántico sean mínimos, es decir, que la decoherencia permita realizar operaciones con una fidelidad razonable, no hay ninguna ley física que impida la construcción de un ordenador de este tipo.

"El principal obstáculo para hacer actualmente un ordenador cuántico es la decoherencia", afirma uno de los pioneros de este emergente campo científico, David Deutsch, físico de la Universidad de Oxford, Inglaterra.

"Una vez superado, estoy seguro de que será construido - añade - aunque todavía estamos a décadas de conseguir uno". La mayoría de los científicos involucrados en las investigaciones coinciden en señalar que todavía habrá que esperar bastante tiempo para gozar de la potencia de cálculo de estos "supercomputadores", que, sin duda, reportaría beneficios enormes a la sociedad. "Los avances en su comprensión - dice Vicente Martín - son avances en nuevos materiales, nuevos fármacos, nuevos procesos de síntesis química, nuevos dispositivos electrónicos: circuitos, sensores, displays...". Cuanto menos, esta tecnología ha generado una gran expectación en el ámbito científico, habiendo sido citada como una de las "10 tecnologías emergentes que cambiarán el mundo" por la revista MIT Technology Review.

Una nueva forma de calcular

La computación cuántica ofrece, además de su enorme potencial operativo, una nueva forma de calcular basada en principios cuánticos. En 1994, Peter Shor, de los laboratorios AT&T, inventó un algoritmo para ordenadores cuánticos capaz de factorizar grandes números en sus factores primos en un tiempo insignificante frente a los ordenadores actuales.

Este descubrimiento tan solo sería una curiosidad si el problema que resuelve no fuese el pilar sobre el que está construido uno de los sistemas de protección de datos más usado en el mundo: el RSA (Rivest Shamir Adleman). Utilizando el algoritmo de Shor, un ordenador cuántico podría descifrar información militar oculta tras una clave de 1024 bits (la habitual para estos asuntos) en cuestión de horas, cuando utilizando unos 8000 ordenadores tardaríamos más de 800 millones de años actualmente.

De esta forma, el nacimiento del ordenador cuántico significaría la destrucción de la criptografía actual, pero también el nacimiento de la criptografía cuántica, mucho más segura e inviolable. De hecho, ya existe alguna empresa que comercializa dispositivos criptográficos basados en las leyes de la mecánica cuántica (www.idquantique.com).

Otro de los algoritmos cuánticos más conocidos es el creado por Lov Grover, también de AT&T, capaz de buscar a una velocidad increíble en bases de datos. De momento, los clientes más interesados en esta tecnología son las agencias gubernamentales y de seguridad, así como bancos e institutos de investigación, pero hace falta crear más algoritmos cuánticos, algo extremadamente difícil por la complejidad que exige recrear un sistema así. 

"Ordenadores cuánticos de algunas decenas de qubits serían ya útiles para simular los propios sistemas cuánticos, que requieren enormes esfuerzos computacionales en los ordenadores clásicos actuales", confirma Mariano Baig. Si se consiguen crear más algoritmos, es posible que se llegue a configurar algún día un ordenador cuántico de carácter general, pero en caso contrario se limitaría a explotar su enorme potencia en determinadas operaciones complejas.

Una tecnología en desarrollo

El campo de la computación e informática cuántica no ha hecho más que comenzar y ya ha obtenido resultados fundamentales. Hasta ahora el contexto en el que se han realizado la mayoría de las implementaciones de algoritmos completos o núcleos básicos de los mismos es la Resonancia Magnética Nuclear (RMN) sobre moléculas en estado líquido.

Las trampas de iones (conjuntos de iones atrapados en una trampa electromagnética) también han sido empleadas para realizar pequeños sistemas cuánticos, pero el futuro parece encontrarse en otros soportes. "Los dispositivos de estado sólido son posiblemente los más prometedores hacia la construcción de un ordenador cuántico escalable (ampliable). Ya estén basados en nanotecnología o en microelectrónica, se beneficiarían de todo el conocimiento y saber hacer de la industria de semiconductores", opinan los investigadores del tema de la UPM. "De momento hay muchas propuestas, pero ninguna realización completa, a pesar de que ha habido avances muy importantes", añaden.

El camino hacia la construcción del ordenador cuántico está produciendo una gran cantidad de beneficios derivados del mejor conocimiento de los sistemas cuánticos, y tan solo es cuestión de tiempo conseguir ascender los peldaños que nos separan de esta máquina. "Hay muchas calzadas por explorar, muchas elecciones, muchas buenas noticias por encontrar, pero el tiempo es vital para poder recorrer todo este camino", recalca Franco Nori, jefe del Laboratorio de Materiales Digitales del Instituto de Investigación Física y Química (RIKEN) japonés. 

El número de investigadores e institutos inmersos en el mundo cuántico es cada vez mayor, y más cuando se trata de un área de investigación tan extensa y diversa. "Es un área multidisciplinar con influencias que van desde la arquitectura de ordenadores hasta la física fundamental, pasando por las comunicaciones, la criptografía, las matemáticas, la microelectrónica y las nanotecnologías, por citar unas pocas", anota Vicente Martín. Todavía habrá que esperar muchos años para gozar de estas maravillas cuánticas sobre la mesa que ahora ocupa nuestro PC, aunque nunca se sabe: puede que alguien invente mañana un dispositivo mágico, parecido a lo que significó hace décadas el transistor con respecto al sistema de válvulas, que sea la base de la futura computación cuántica. 

Por: Francisco Javier Alonso
Fuente: EFE