Los ordenadores cuánticos tienen el poder de ver a través de los datos

El investigador de computación cuántica Ismael Faro explica los entresijos y futuras aplicaciones de los ordenadores cuánticos

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El investigador de computación cuántica de IBM Research Ismael Faro explica los entresijos y futuras aplicaciones de los complejos ordenadores cuánticos, que prometen resolver retos inalcanzables para cualquier PC de sobremesa

 

Ismael Faro posa junto con el prototipo de computador cuántico de 50 cúbits de IBM / Crédito: Ismael Faro

En la década de 1950 ya empezaba a sonar el potencial de una desconocida tecnología llamada computación cuántica, que prometía una revolución en la informática. Pero no ha sido hasta más de 60 años después cuando han empezado a verse los primeros desarrollos tangibles. El líder técnico de Quantum Experience Cloud de IBM Research en Nueva York (EE. UU.), Ismael Faro (Galicia, 1975), trabaja en materializar uno de esos ordenadores cuánticos que podrían resolver problemas imposibles para los ordenadores tradicionales.

Mejor procesamiento de información, mayor seguridad, y aplicaciones en medicina, finanzas y logística son algunos de los posibles usos que podría tener un computador cuántico genérico, como el que el equipo de Faro desarrolla. En el área de investigación de IBM ya se han logrado grandes hitos, por ejemplo en química cuántica, con la simulación de la molécula más compleja jamás simulada por un ordenador cuántico. Faro espera que en cinco años esta tecnología, a priori difícil de comprender, ya esté influyendo en las cosas que nos rodean a diario.

Los orígenes de la computación cuántica

1965

El físico Richard Feynman, profundamente involucrado en el desarrollo de la primera bomba atómica, propone importantes teorías de la quantumelectrodinámica, un campo relacionado con la forma en que los electrones interactúan entre sí a través de la fuerza electromagnética propagada a través del fotón.

Creando representaciones visuales simples, ganadoras del Premio Nobel, de las posibles interacciones entre un electrón y un fotón y otras interacciones atómicas, Feynman también predice que las antipartículas, partículas que poseen una carga opuesta a la de su partícula espejo, son en realidad sólo partículas normales que se mueven hacia atrás en el tiempo.

1980

Feynman, entre otros, comienza a investigar la generalización de los conceptos convencionales de las ciencias de la información a los procesos físicos cuánticos, considerando la representación de los números binarios en relación con los estados cuánticos de los sistemas cuánticos de dos estados: en otras palabras, la simulación de sistemas cuánticos no con computadoras convencionales sino con otros sistemas cuánticos construidos para este propósito.

1985

David Deutsch, de Oxford, publica un artículo teórico que describe un ordenador cuántico universal, demostrando que si se pudiera hacer evolucionar un sistema de dos estados mediante un conjunto de operaciones simples, se podría producir cualquier evolución de este tipo, y hacerla simular cualquier sistema físico; estas operaciones se denominan “puertas” cuánticas, ya que funcionan de forma similar a las puertas lógicas binarias de los ordenadores clásicos.

1994 – Algoritmo de Shor

Peter Shor, que trabaja para AT&T, propone un método que utiliza el enredo de qubits y para encontrar los factores primos de un número entero, un proceso bastante valioso, ya que muchos sistemas de encriptación aprovechan la dificultad de encontrar factores de números grandes. En principio, su algoritmo superaría con creces la eficiencia de cualquier ordenador conocido cuando se ejecuta en un ordenador cuántico; el descubrimiento de Shor resulta bastante instrumental para provocar una tormenta de investigación tanto por parte de físicos como de informáticos.

1995

El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y el Instituto de Tecnología de California contemplan conjuntamente el problema de proteger un sistema cuántico de las influencias ambientales y realizan experimentos con campos magnéticos, que permiten que las partículas (iones) queden atrapadas y se enfríen a un estado cuántico. Este método, sin embargo, sólo permite crear dispositivos de pocos bits, que pierden rápidamente la coherencia.

1996 – hasta el presente

Un equipo compuesto por investigadores de la Universidad de California en Berkeley, el MIT, la Universidad de Harvard e IBM persigue una técnica algo similar, pero utilizando resonancia magnética nuclear (RMN), una tecnología que parece manipular la información cuántica en líquidos. Intentan aliviar la amenaza de la decoherencia trabajando con un gran número de ordenadores cuánticos, permitiendo que cada qubit esté representado por muchas, muchas moléculas, disminuyendo así el efecto de las fuerzas externas.

La RMN actúa sobre las partículas cuánticas en los núcleos atómicos del fluido creando un cierto “spin”; la alineación del spin de una partícula determinada traiciona su valor, 0 o 1. Variando el campo electromagnético utilizado, se encuentran ciertas oscilaciones que permiten que ciertos espines flipen entre estos estados, permitiéndoles existir en ambos a la vez.

Además, el movimiento constante de las moléculas en los líquidos crea interacciones que permiten la construcción de compuertas lógicas a través de la RMN, las unidades básicas de computación. El equipo desarrolla un ordenador cuántico de 2 bits hecho de un dedal de cloroformo; la entrada consiste en pulsos de radiofrecuencia en el líquido que contiene, en esencia, el programa compilado para ser ejecutado.

El algoritmo que se ejecuta a través de la computadora cuántica es uno ideado por Lov Grover de Bell Laboratories. En informática, a menudo se describe la eficacia de un algoritmo por el tiempo que toma completarlo dada la magnitud de la entrada. Si se introduce una matriz de elementos N por N, por ejemplo, una búsqueda exhaustiva de la matriz para un valor particular tomará N2 intentos de encontrar, en el peor de los casos. Si se introducen valores N, el método de búsqueda más común (llamado búsqueda binaria), tomará N/2 intentos, en promedio.

El algoritmo cuántico de Grover es O(N1/2). Con el ordenador cuántico desarrollado, una lista de cuatro elementos fue sometida a este algoritmo, que demostró ser capaz de encontrar el elemento deseado en un solo paso.

1998

En 1993, la viabilidad de la teletransportación cuántica es propuesta por un equipo internacional de investigadores, que basaron sus conclusiones en un teorema de la mecánica cuántica llamado el efecto Einstein-Podolsky-Rosen.

El teorema describe cómo dos partículas que entran en contacto se “enredan” y forman parte del mismo sistema cuántico. El grupo teoriza que dos partículas “transportadoras” enredadas, introducidas en una tercera partícula “mensaje”, podrían transferir propiedades de una a otra.

La idea es puesta en práctica casi seis años después, por investigadores de la Universidad de Innsbruck en Austria. Dos pares de fotones enredados fueron expuestos entre sí, y se revela que el estado de polarización de uno puede ser transferido al otro.

La pregunta del millón: ¿qué es un ordenador cuántico?

Es un ordenador convencional, como nuestro portátil y nuestro móvil, pero usa una tecnología diferente y almacena y procesa la información de forma distinta. Los ordenadores clásicos están hechos con ceros y unos y eso da beneficios, pero también genera restricciones de velocidad y eficiencia que se han intentado mejorar desde el primer ordenador que hizo los cálculos para mandar al hombre a la Luna.

La computación cuántica busca optimizar más cosas, como el almacenamiento de los datos, y lo hace trabajando con interacciones de partículas. Utiliza cúbits en lugar de bits: en lugar de cajas de 0 y 1, tenemos una esfera que rota y que puede tener valor 0, 1 o cualquier rotación entre ellos. Esta tecnología puede romper las barreras de los ordenadores convencionales.

Foto: Esta parte del computador cuántico recubierta de oro sirve para mantener el aparato a temperaturas muy bajas cercanas al cero absoluto.Crédito: IBM Research.

¿Cómo funciona un ordenador cuántico?

Por un lado, tenemos un ordenador normal unido por unos cables a una especie de lámpara gigante, que se sitúa en la parte más baja del aparato, donde está lo que sería el procesador cuántico que contiene los cúbits y las moléculas. El enjambre de cables, recubiertos de oro para su aislamiento, manda las señales desde el ordenador clásico (0 o 1), se opera con ellas en el chip del procesador (0, 1 o rotaciones de ellos) y después se lee el estado resultante de esas partículas que están en la lámpara. Para poder trabajar a este nivel de estados cuánticos es necesario que la sala esté a una temperatura específica y que no haya ruido.

¿Por qué nos cuesta tanto entender la computación cuántica?

La computación cuántica no es nueva dentro del campo científico, pero dentro del humano sí. Estamos acostumbrados a las tecnologías que hay a nuestro alrededor, como una radio o la televisión, pero en realidad casi nadie entiende tampoco cómo funcionan; nos interesa su fin, no su método. En la computación cuántica pasará lo mismo cuando sea más accesible y todo el mundo hable de ella.

Foto: El ordenador clásico manda información con señales al ordenador cuántico, que pasan de expresarse en bits a cúbits en el chip. Crédito: IBM Research.

Aplicaciones de la computación cuántica

Su mayor aplicación potencial son las simulaciones químicas. El premio Nobel de Física y uno de los pioneros de la computación cuántica, Richard Feynman, ya lo propuso. Se dio cuenta de que, como dentro del chip cuántico estamos trabajando directamente con las características físicas de los elementos más básicos, con partículas, es más preciso que hacerlo con ceros y unos. Este es el Santo Grial de la computación cuántica: sintetizar una molécula y conseguir que el propio ordenador se comporte como lo hace la naturaleza.

¿En qué aplicación práctica se traduce esto?

Sirve para mejorar fármacos y crear nuevos. Cuando un paciente ingiere un medicamento, se producen interacciones de moléculas: el fármaco actúa sobre el cuerpo, se absorbe, se disuelve. La mejor forma de ver todo esto es con una simulación; probar las pastillas en laboratorios es más costoso y menos preciso. Gracias a la computación cuántica, pasamos de una modelización matemática con ceros y unos, que implican un error de aproximación, a una modelización real y natural de cómo se comporta la propia materia.

¿En qué otras áreas se puede utilizar la computación cuántica?

Los ordenadores cuánticos tienen la capacidad de mejorar los procesos de optimización. Mientras que en uno convencional hay que iterar y buscar todas las opciones, en uno cuántico todo está entrelazado y superpuesto de forma más eficaz. Es como si tuviera el poder de ver a través de los datos. Pueden aplicarse a marketing, para maximizar el impacto de una campaña de publicidad y para estudiar como el cambio de una característica de un producto afecta a un grupo de gente. También en inteligencia artificial, porque el proceso de entrenamiento de los algoritmos de machine learning consiste en minimizar los errores.

Foto: El ordenador clásico manda información con señales al ordenador cuántico, que pasan de expresarse en bits a cúbits en el chip. Crédito: IBM Research.

¿Cuándo llevaremos un móvil cuántico en el bolsillo?

Para que un ordenador cuántico funcione tiene que estar casi en el cero absoluto de temperatura [−273,15 °C] y eso es una limitación física enorme. No sé si en el futuro podremos poner un mini refrigerador en los móviles. De momento, estamos en un paso intermedio entre la investigación y la aplicación, y las técnicas actuales están pensadas para seguir investigando. Sin embargo, puede que la computación cuántica sí esté presente en chips con características cuánticas y en materiales optimizados para las baterías del futuro cercano.

Si al final la computación cuántica resulta ser una promesa fallida y no puede implantarse ni llevarse a una escala mayor, ¿qué pasaría?

La tecnología va a funcionar porque ya lo está haciendo, lo que pasa es que con las características actuales hay más problemas que beneficios y el coste es tan grande que no compensa. Si esto no se pudiera mejorar, tendremos una tecnología que se usará para resolver ciertos problemas, pero no tendrá un impacto tan grande ni tan generalista. Igual que con los supercomputadores: a día de hoy siguen existiendo y se usan para problemas químicos y atmosféricos, aunque la gente de la calle no lo sepa. En cualquier caso, a corto plazo, habrá elementos cuánticos cerca de nosotros.

Por Patricia Ruiz Guevara 

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