Qué son los ordenadores cuánticos y cómo cambiarán nuestras vidas

En el vertiginoso mundo de la tecnología, pocas innovaciones despiertan tanta fascinación y expectativa como los ordenadores cuánticos. Estos dispositivos, que parecen salidos de las páginas de una novela de ciencia ficción, prometen revolucionar no solo la forma en que procesamos la información, sino también cómo entendemos e interactuamos con el mundo que nos rodea. A diferencia de los ordenadores convencionales que conocemos, los ordenadores cuánticos aprovechan las extrañas y asombrosas propiedades de la mecánica cuántica para realizar cálculos de una manera fundamentalmente diferente y, en muchos casos, exponencialmente más rápida. Veamos qué son los ordenadores cuánticos y cómo cambiarán nuestras vidas.

Imagina un mundo donde los problemas que hoy consideramos imposibles de resolver se conviertan en triviales. Un mundo donde podemos simular sistemas moleculares complejos con precisión perfecta, acelerando drásticamente el descubrimiento de nuevos medicamentos y materiales. Un futuro donde la optimización logística alcanza niveles de eficiencia sin precedentes, reduciendo significativamente el desperdicio y el impacto ambiental. Este es el potencial que encierran los ordenadores cuánticos, y estamos al principio de hacer realidad estas extraordinarias capacidades.

Pero, ¿Qué hace que los ordenadores cuánticos sean tan especiales? En el corazón de estas máquinas se encuentran los cúbits o qubits (del inglés quantum bit), la versión cuántica de los bits clásicos. Mientras que un bit convencional solo puede estar en uno de dos estados (0 o 1), un cúbit puede existir en múltiples estados simultáneamente, una propiedad conocida como superposición. Además, los cúbits pueden estar «entrelazados», permitiendo que la información se procese de maneras que desafían nuestra intuición clásica. Estas características únicas permiten a los ordenadores cuánticos abordar ciertos tipos de problemas con una eficiencia que los ordenadores clásicos nunca podrían alcanzar.

El impacto de los ordenadores cuánticos se extenderá mucho más allá de los laboratorios y centros de investigación. En el campo de la ciberseguridad, por ejemplo, estas máquinas tienen el potencial de descifrar los sistemas de encriptación actuales, lo que obliga a desarrollar nuevos métodos de protección de datos. Por otro lado, en el sector financiero, los algoritmos cuánticos podrían optimizar las carteras de inversión y mejorar la predicción de riesgos a niveles nunca antes vistos. En la lucha contra el cambio climático, los ordenadores cuánticos podrían ayudarnos a desarrollar mejores baterías, células solares más eficientes y procesos de captura de carbono más efectivos.

Sin embargo, es importante entender que los ordenadores cuánticos no reemplazarán por completo a los ordenadores clásicos. Más bien, trabajarán en conjunto con ellos, cada uno haciendo lo que mejor sabe hacer. Mientras que los ordenadores cuánticos sobresalen en ciertos tipos de cálculos complejos, los ordenadores clásicos seguirán siendo superiores en muchas tareas cotidianas. Lo que estamos presenciando es el nacimiento de una nueva era en la computación, una donde los problemas más desafiantes de la humanidad podrán ser abordados con herramientas de un poder sin precedentes. En este artículo, exploraremos qué son exactamente los ordenadores cuánticos, cómo funcionan, y las numerosas formas en que prometen transformar nuestras vidas en las próximas décadas.

Conceptos básicos de la física cuántica

Para comprender mejor la computación cuántica, es útil familiarizarse con algunos conceptos básicos de la mecánica cuántica. Tranquilo, basta con entender las particularidades que ocurre a nivel atómico y que son realmente extrañas para los que solo estudiaron la física clásica. Si tiene un mayor interés en comprender el funcionamiento de la física cuántica, pude consultar el artículo Física cuántica para principiantes. El maravilloso mundo de lo muy pequeño.

Los hechos extraños más relevantes que ocurren en la física cuántica son los siguientes:

Superposición: En el mundo cuántico, las partículas pueden existir en múltiples estados al mismo tiempo. Imagina una moneda que, en lugar de estar cara arriba o cara abajo, pudiera estar en ambos estados simultáneamente hasta que la observas. No hay que buscarle explicación, simplemente es un hecho.
Entrelazamiento cuántico: Dos o más partículas pueden estar conectadas de tal manera que el estado de una partícula depende instantáneamente del estado de la otra, sin importar la distancia que las separe. Einstein llamó a este fenómeno «acción fantasmal a distancia».
Interferencia cuántica: Las ondas cuánticas pueden interferir entre sí, reforzándose o cancelándose mutuamente, lo que afecta a la probabilidad de observar ciertos resultados.
Medición: En mecánica cuántica, el acto de medir un sistema cuántico altera su estado. Esto se conoce como el principio de incertidumbre de Heisenberg.

Estos conceptos, aunque parezcan contrarios a nuestra intuición basada en el mundo macroscópico, simplemente son una realidad que ocurre a nivel cuántico. Los ordenadores cuánticos se basan en sacar provecho de estos fenómenos haciendo posible realizar determinadas operaciones lógicas de una forma mucho más rápida.

Del bit al cúbit

Los ordenadores o computadoras que usamos a diario, ya sean smartphones, portátiles (laptops) o grandes servidores, procesan información en forma de bits, que son unidades básicas de información que pueden tener uno de dos valores: 0 o 1. Un bit clásico es como un interruptor que puede estar encendido (1) o apagado (0).

La computación cuántica o informática cuántica, por otro lado, aprovecha las leyes de la mecánica cuántica, una rama de la física que describe el comportamiento de la materia y la energía a nivel atómico y subatómico. En lugar de bits, los ordenadores cuánticos utilizan cúbits, también conocidos como qubits (quantum bits o bits cuánticos).

La diferencia clave es que mientras un bit clásico solo puede ser 0 o 1 en un momento dado, un cúbit puede ser 0 y 1 al mismo tiempo, con diferentes probabilidades para cada estado. Podemos visualizar un cúbit como un punto en una esfera tridimensional llamada esfera de Bloch. El polo norte de la esfera representa el estado 0, el polo sur representa el estado 1, y cualquier punto en la superficie de la esfera representa una superposición de estos dos estados.

Dicho de otra forma, una partícula cuántica no es un interruptor (no es un bit), sino una esfera que puede tener cualquier orientación. Dependiendo de la orientación, se puede interpretar que su valor es 0, 1 o cualquier combinación de estos estados superpuestos. Esto se llama un cúbit.

Bit (ordenador clásico) vs cúbit (ordenador cuántico)

Además, las partículas que representan los cúbits pueden estar sometidas al resto de hecho extraños que afectan a la física cuántica (entrelazamiento, interferencia, etc.). Estas propiedades únicas permiten a los ordenadores cuánticos realizar ciertos tipos de cálculos mucho más rápido que los ordenadores clásicos, abriendo posibilidades para resolver problemas que actualmente son intratables.

Simplemente quedémonos con el detalle de que las partículas cuánticas muestran su estado en forma de cúbit y que estos cúbits tienen propiedades especiales. Sigamos adelante.

Las puertas cuánticas

Los ordenadores clásicos se basan en la electrónica de semiconductores manipulando estados de 0 y 1 (bits). Esta tecnología mete millones de transistores en un chip electrónico. Estos transistores realizan operaciones lógicas simples a partir de las cuales se elabora todo el sistema informático. Estas operaciones simples se conocen como puertas lógicas.

En el caso de la informática clásica, las puertas lógicas fundamentales son las operaciones AND (si ambos bits de entrada son 1, el resultado es 1; en caso contrario, es 0), OR (si al menos uno de los dos bits de entrada es 1, el resultado es 1; si ambos son 0, el resultado es 0) y NOT (el resultado es el opuesto al bit de entrada). Estas puertas lógicas básicas se combinan para formar circuitos más complejos que pueden realizar operaciones matemáticas y lógicas avanzadas, permitiendo así todas las funciones de un ordenador moderno.

Los ordenadores cuánticos funcionan manipulando partículas atómicas. Con estas partículas se pueden hacer otro tipo de operaciones básicas, conocidas como puertas cuánticas. Al igual que con los ordenadores clásico, a partir de estas puertas cuánticas se elabora todo el sistema informático cuántico. Las puertas cuánticas son análogas a las puertas lógicas clásicas (AND, OR, NOT, etc.), salvo que son más diversas y complejas.

Existen puertas cuánticas (operaciones básicas) que actúan sobre un solo cúbit y otras que actúan sobre múltiples cúbits. Todas ellas, manipulan el estado cuántico de los cúbits involucrados y ofrecen un resultado. Esto es, sometiendo al cúbit a unos determinados pulsos se obtiene como resultado la lógica expuesta en las puertas cuánticas. Combinando estos comportamientos simples, se consigue poner en marcha un sistema informático complejo.

Las puertas cuánticas más conocidas que implican a un solo cúbit son las siguientes:

Puerta Hadamard (H): Crea una superposición de estados.
Puerta NOT cuántica (X): Invierte el estado de un cúbit.
Puerta de fase (Z): Cambia la fase de un cúbit.
Puertas de rotación (Rx, Ry, Rz): Rotan el estado del cúbit alrededor de los ejes X, Y, Z.

Permítanme que repita la idea. Notar que, cuando estas puertas modifican el estado de un cúbit, lo que realmente se está logrando es operar con ellos. Invertir el estado de un cúbit o cambiar su fase tiene una implicación en la lógica. Combinando estos comportamientos, aparentemente simples, se consigue crear un algoritmo informático complejo.

Ejemplos de símbolos de puertas cuánticas

Si es necesario, el algoritmo puede utilizar también puertas cuánticas que implican a múltiples cúbits, como las siguientes:

Puerta CNOT: Opera en dos cúbits, cambiando el estado del segundo cúbit, si el primero es 1 .
SWAP: Intercambia los estados de dos cúbits.
Toffoli (CCNOT): Opera en tres cúbits, invirtiendo el tercero si los dos primeros son 1.

Quedémonos simplemente con la idea de que, al igual que los ordenadores clásicos, los ordenadores cuánticos basan su funcionamiento en la utilización de las puertas lógicas, aunque, en este caso, las puertas cuánticas se construyen a nivel atómico.

Los circuitos cuánticos

Como se ha mencionado anteriormente, al igual que un ordenador clásico, las puertas cuánticas se combinan para realizar cualquier operación lógica con el ordenador. Para ello, se crean algoritmos que definen qué combinación de puertas hay que secuenciar para realizar una determinada operación. A esta secuencia de puertas se la denomina circuito cuántico.

Los circuitos cuánticos son la representación física de los algoritmos cuánticos. Dicho de otra forma, un circuito cuántico es una secuencia de puertas cuánticas aplicadas a un conjunto de cúbits para realizar una operación.

Las puertas cuánticas se implementan físicamente mediante pulsos electromagnéticos precisos que manipulan los estados de los cúbits. Se requiere un control extremadamente preciso de la duración, fase y amplitud de los pulsos para ejecutar esta tarea con éxito.

Ejemplo de circuito cuántico de 5 cúbits (utilizando puertas H, puertas T y puertas X, representada por los círculos)

Para crear los circuitos cuánticos, los algoritmos creados mediante un software se convierten en una secuencia de pulsos de control mediante un proceso que se conoce como compilación.

En resumen, las puertas cuánticas y los circuitos son la base para implementar algoritmos en los ordenadores cuánticos. Representan una forma fundamentalmente nueva de procesar información, aprovechando las propiedades únicas de la física cuántica. A medida que la tecnología avanza, se están desarrollando puertas más precisas y circuitos más complejos, lo que nos acerca a la realización del verdadero potencial de la computación cuántica.

Cómo se construye un ordenador cuántico

La teoría está muy bien, pero su aplicación práctica representa un desafío enorme. Crear y mantener cúbits supone trabajar con partículas atómicas que son extremadamente delicadas y, si no se manejan adecuadamente, en fracciones de segundo pueden perder su estado cuántico, un fenómeno conocido como decoherencia.

Para que un ordenador cuántico funcione, es esencial aislar las partículas atómicas utilizadas para construir los cúbits y desarrollar los sistemas de gestión y control necesarios que permitan el intercambio de información con el cúbit. Los componentes básicos de un ordenador cuántico son los siguientes:

Cúbits: Son la unidad básica de información cuántica, análogos a los bits en los ordenadores clásicos.
Sistema de control cuántico: Para poder manipular y leer el estado de los cúbits.
Sistema de corrección de errores: Para manejar la decoherencia y otros errores cuánticos.
Sistema de refrigeración: Para mantener los cúbits a temperaturas extremadamente bajas (en los casos donde esto es necesario). Precisamente este sofisticado sistema de refrigeración es el responsable del aspecto extraño que tienen los ordenadores cuánticos.
Interfaz clásica-cuántica: Para traducir entre operaciones cuánticas y clásicas.

Como podemos imaginar, lo que hace realmente especial a los ordenadores cuánticos son sus cúbits. Crear un cúbit no es simple, pero existen distintos enfoques para lograrlo, incluyendo los siguientes:

Superconductores: Utilizan circuitos electrónicos superconductores a temperaturas cercanas al cero absoluto para construir chips de silicio. Las empresas como IBM o Google utilizan principalmente este enfoque. IBM asegura haber logrado crear chips con más de 100 cúbits superconductores (el IBM Q System One). Por su parte, Google anunció que había construido su chip Sycamore de 53 cúbits siguiendo esta tecnología.
Iones atrapados: Usan iones individuales atrapados en campos electromagnéticos. Para ello se utilizan cámaras de vacío ultra-alto y sistemas láser muy precisos. Compañías como IonQ se especializan en esta tecnología.
Fotones: Emplean partículas de luz para codificar información cuántica. Para ello se requieren fuentes de fotones individuales y circuitos ópticos integrados. La empresa PsiQuantum está trabajando en un ordenador cuántico a gran escala basado en fotones.
Puntos cuánticos: Aprovechan pequeñas estructuras semiconductoras para atrapar electrones individuales.

Cada enfoque tiene sus ventajas y desafíos, y la investigación continúa para mejorar la estabilidad y escalabilidad de estos sistemas.

Para el sistema de control se necesitan generadores de señal de alta precisión que puedan controlar los cúbits. Se emplean amplificadores criogénicos para leer las señales de los cúbits y convertidores de señal de analógico a digital y viceversa para poder leer su estado.

En el caso de los cúbits superconductores, se utilizan refrigeradores de dilución que pueden alcanzar temperaturas de milésimas de grado Kelvin sobre el cero absoluto (del orden de 10 milésimas de grado Kelvin). Esto se consigue mediante múltiples etapas de enfriamiento. La importancia de operar a temperaturas cercanas al cero absoluto radica en que, en estas condiciones, la energía interna del sistema es mínima, lo que hace posible aislar una partícula para poder trabajar con ella. Interactuar con ella de manera individual.

Dado que los estados cuánticos son muy frágiles, se requiere un aislamiento extremo del entorno. Esto incluye un blindaje magnético, aislamiento de vibraciones y protección contra la radiación electromagnética. Aún así, se consiguen las condiciones adecuadas durante periodos de tiempo pequeños (del orden de 100 milisegundos). Durante ese tiempo, la partícula es un cúbit con el que se puede trabajar. Como una puerta lógica se ejecuta en unos 10 nano segundos, durante ese periodo activo se pueden ejecutar diez mil puertas lógicas.

Para la interfaz clásica-cuántica se desarrollan sistemas electrónicos especializados que traducen entre señales clásicas y cuánticas. Esto requiere un software específico que permita controlar el hardware cuántico y el clásico.

Desafíos en la construcción de un ordenador cuántico

Como podemos sospechar, la construcción de un ordenador o computadora cuántica requiere el uso de tecnologías ultra precisas en entornos altamente controlados. Esto conlleva afrontar numerosos desafíos muy complejos. Para entenderlo mejor, los principales obstáculos científicos y de ingeniería a los que nos enfrentamos son los siguientes:

Decoherencia: Este es quizás el desafío más importante en la computación cuántica. La decoherencia es la pérdida de la información cuántica debido a la interacción del sistema con su entorno. Los estados cuánticos son extremadamente frágiles y pueden colapsar en fracciones de segundo. El objetivo es mantener la coherencia cuántica durante el tiempo suficiente para realizar cálculos útiles. Para resolverlo, se está mejorando las técnicas de aislamiento, utilizando materiales más puros y, sobre todo, incorporando algoritmos de corrección de errores cuánticos.
Escalabilidad: Un ordenador cuántico con un solo cúbit no sirve para mucho. Es necesario poder construir ordenadores con cada vez más cúbits mientras se mantiene la coherencia y el control. Sin embargo, a medida que se añaden más cúbits, aumenta la complejidad del sistema y es más difícil mantener el control sobre todos ellos. Organizar el cableado, controlar la temperatura o minimizar las interferencias se vuelve cada vez más complejo. Se han construido sistemas con decenas de cúbits, pero es necesario escalarlos para llegar a integrar miles o millones de ellos.
Error cuántico y corrección de errores: Los errores en los sistemas cuánticos son mucho más frecuentes y difíciles de corregir que en sistemas clásicos. Los errores cuánticos suelen estar causados por fluctuaciones en los campos magnéticos o eléctricos o por interacciones con el entorno. Los errores más frecuentes son los conocidos como bit-flip (el estado de un cúbit se invierte inesperadamente, es decir, cuando un 0 se convierte en 1 o viceversa), phase-flip (cambia la fase relativa entre los estados 0 y 1 de un cúbit, no cambia las probabilidades de medir 0 o 1, pero afecta a la interferencia cuántica, crucial para muchos algoritmos cuánticos) y los errores de medición. Para corregirlos se desarrollan e implementan códigos de corrección de errores (por ejemplo, el código de Shor). El problema es que la corrección de errores cuánticos requiere utilizar muchos cúbits físicos para obtener un solo cúbit lógico estable.

Interior del ordenador cuántico de IBM (zona de los cúbits). IBM Research.

Control preciso: Manipular estados cuánticos requiere un nivel de precisión extremadamente alto. Por ejemplo, es necesario controlar los pulsos de microondas y de campos magnéticos con precisión de nanosegundos. Mantener el nivel de control a medida que se escala el número de cúbits es realmente complejo. Si no se consigue, se producen pequeños errores que se van acumulando y que arruinan los cálculos cuánticos.
Fabricación y materiales: La creación de cúbits requiere materiales y procesos de fabricación de alta pureza y precisión. Además, se requieren instalaciones de fabricación extremadamente limpias y precisas. Entre las mejoras propuestas, se investiga en el desarrollo de nuevos materiales con mejores propiedades cuánticas.
Refrigeración: Muchos sistemas cuánticos requieren temperaturas extremadamente bajas para funcionar, del orden de milésimas de grado Kelvin. El reto es mantener estas temperaturas de manera estable y escalable. También hay que considerar que los sistemas de refrigeración actuales son costosos y consumen mucha energía.
Interfaz cuántico-clásica: Integrar los sistemas cuánticos con la electrónica clásica presenta desafíos únicos. No solo hay que traducir entre información cuántica y clásica, sino que hay que hacerlo sin perder las ventajas cuánticas. Esto supone desarrollar un hardware y software que puedan interactuar eficientemente con los cúbits.
Algoritmos y software: Sigue siendo un reto el desarrollo de software y la creación de algoritmos que aprovechen eficazmente el hardware cuántico. Los algoritmos cuánticos requieren formas de pensar radicalmente diferentes a los clásicos, lo que supone crear nuevos paradigmas de programación adaptados a la computación cuántica.
Verificación y validación: Más allá de todo lo anterior, asegurarse de que un ordenador cuántico funcione correctamente es un desafío en sí mismo. Por ejemplo, es difícil verificar los resultados de unos cálculos que los ordenadores clásicos no pueden realizar. El reto es desarrollar métodos para validar el rendimiento y la precisión de los ordenadores cuánticos.
Estandarización: A medida que se va madurando en este campo, surge la necesidad de definir estándares comunes que permitan intercambiar experiencias e ideas. El desarrollo estándares para hardware, software y de medición del rendimiento cuántico resulta crucial para la interoperabilidad y el desarrollo comercial de la tecnología.

Como se puede suponer, todos estos desafíos están interconectados y abordarlos requiere un enfoque multidisciplinario que combina física cuántica, ingeniería eléctrica, ciencia de materiales, criogenia, y ciencias informáticas o de la computación. A pesar de estos obstáculos, el progreso en este campo ha sido considerable, y muchos expertos creen que estamos en el umbral de avances significativos en la computación cuántica práctica.

Para entenderlo mejor, un ordenador cuántico necesita integrar miles de cúbits para superar significativamente a uno clásico. La compañía canadiense D-Wave logró un avance importante al construir en 2019 el primer ordenador cuántico comercial, el D-Wave 2000Q. Con 2000 cúbits, es 1.000 veces más potente que los ordenadores convencionales. El Laboratorio Nacional de Los Álamos, perteneciente al Departamento de Energía de Estados Unidos, fue el primer comprador, adquiriéndolo por 15 millones de dólares. Por cierto, en 2020 construyó su modelo Advantage que integra más de 5.000 cúbits.

Algoritmos cuánticos: El corazón de los ordenadores cuánticos

Los algoritmos cuánticos son el software que hace funcionar a los ordenadores cuánticos. Estos algoritmos aprovechan las propiedades únicas de los sistemas cuánticos para realizar cálculos de manera fundamentalmente diferente a los algoritmos clásicos. Representan una forma nueva de abordar problemas los problemas informáticos.

La integración de estos algoritmos en ordenadores cuánticos implica un proceso complejo que abarca desde el diseño teórico hasta la implementación física, pasando por múltiples etapas de optimización y adaptación al hardware disponible. A medida que la tecnología cuántica avanza, se están desarrollando algoritmos más sofisticados y eficientes que aprovechan plenamente el potencial de la computación cuántica.

Los algoritmos están escritos en un lenguaje de programación muy específico. Por ejemplo, IBM utiliza el lenguaje Qiskit, Google utiliza Cirq y Microsoft utiliza Q#. Antes de su puesta en ejecución en un hardware cuántico, se utilizan simuladores que permiten probar los algoritmos en ordenadores clásicos. No obstante, estas simulaciones solo son posible para un número limitado de cúbits. A medida que aumenta el número de cúbits, la simulación se vuelve exponencialmente más compleja.

Algunos de los algoritmos cuánticos más conocidos incluyen:

Algoritmo de Shor: Este algoritmo, desarrollado por Peter Shor en 1994, es capaz de factorizar números enteros grandes de manera exponencialmente más rápida que los mejores algoritmos clásicos conocidos. Factorizar un número significa descomponerlo en sus factores primos, esto es, simplificarlo (por ejemplo, 12=2x2x3). Esto tiene implicaciones importantes en aplicaciones que manejen números grandes, como la criptografía, ya que muchos sistemas de seguridad actuales se basan en la dificultad de factorizar números grandes. Potencialmente, mediante el algoritmo de Shor se pueden romper muchos sistemas de encriptación actuales.
Algoritmo de Grover: Desarrollado por Lov Grover en 1996, este algoritmo permite buscar en una base de datos no estructurada de manera cuadráticamente más rápida que los algoritmos clásicos. Aunque la mejora es menos dramática que la del algoritmo de Shor, es aplicable a una gama más amplia de problemas.
Algoritmo VQE (Variational Quantum Eigensolver): Este algoritmo híbrido cuántico-clásico se utiliza para encontrar los estados de energía más bajos de moléculas, lo que es crucial para la química cuántica y el diseño de nuevos materiales. Se utiliza en la simulación de sistemas químicos y de materiales.
Algoritmo HHL: Nombrado por sus creadores Harrow, Hassidim y Lloyd, este algoritmo resuelve sistemas de ecuaciones lineales mucho más rápido que los métodos clásicos para ciertos tipos de matrices. Son de gran utilidad en el análisis financiero y en simulaciones físicas.

Estos algoritmos ilustran cómo los ordenadores cuánticos no son simplemente una versión más rápida de los ordenadores clásicos, sino un paradigma completamente nuevo con sus propias fortalezas y debilidades.

Antes de poder utilizar estos algoritmos es necesario compilarlos traduciendo su lógica a una secuencia de operaciones con puertas cuánticas. Posteriormente, para ponerlos en marcha en el hardware cuántico, se prepara primero el estado inicial de los cúbits a un estado conocido y se aplica la secuencia de operaciones cuánticas de la que consta el algoritmo. Cada operación se lleva a cabo aplicando los pulsos electromagnéticos correspondientes que manipulan los cúbits. A continuación se mide el estado final de los cúbits para obtener el resultado. Por último, se procesan estos resultados en una computadora clásica para obtener la respuesta final.

Curiosamente, como las mediciones pueden colapsar el estado cuántico, generalmente, solo se realizan las mediciones al final del circuito. Aunque en algunos algoritmos pueden utilizarse mediciones intermedias, éstas pueden afectar a la naturaleza cuántica del cálculo.

Todo el sistema debe diseñarse teniendo en cuenta el número limitado de cúbits y que son susceptibles de ofrecer resultados erróneos (naturaleza ruidosa del cúbit). Por otro lado, los sistemas actuales tiene unos tiempos de comportamiento estable limitados (tiempos de coherencia). En operaciones prolongadas se implementas códigos de corrección de errores cuánticos.

Para mejorar los resultados actuales, se están probando sistemas híbridos que combinen la computación clásica para determinadas tareas con la cuántica. Igualmente se están diseñando algoritmos resistentes al ruido (errores) y desarrollando algoritmos de machine learning (aprendizaje automático) adaptados a la computación cuántica.

Aplicaciones de los ordenadores cuánticos

Los ordenadores cuánticos tienen el potencial de revolucionar numerosos campos de la industria y la investigación. Por poner ejemplos, algunas de las aplicaciones más prometedoras son las siguientes:

Criptografía y seguridad: La capacidad de los ordenadores cuánticos para factorizar números grandes rápidamente amenaza muchos sistemas de encriptación actuales. Sin embargo, también permite el desarrollo de nuevos métodos de encriptación cuántica que son teóricamente inquebrantables.
Química y ciencia de materiales: Los ordenadores cuánticos pueden simular sistemas moleculares complejos con una precisión sin precedentes, lo que podría acelerar el descubrimiento de nuevos medicamentos, catalizadores y materiales.
Problemas complejos: Estos sistemas permiten resolver eficazmente problemas lógicos complejos. Esto permitiría que problemas complejos en sectores como logística, finanzas o manufactura podrían resolverse mucho más eficientemente con ordenadores cuánticos.
Inteligencia artificial y aprendizaje automático (machine learning): Los algoritmos cuánticos podrían mejorar significativamente el entrenamiento y la inferencia en modelos de aprendizaje automático, permitiendo el procesamiento de conjuntos de datos mucho más grandes y complejos.
Modelado del clima: La capacidad de simular sistemas complejos podría mejorar dramáticamente nuestros modelos climáticos, permitiendo predicciones más precisas y estrategias de previsión más efectivas.

Esto son solo algunos ejemplos, pero aplicando un poco de imaginación podemos identificar fácilmente una gran variedad de aplicaciones casi en todos los campos de la industria y de la ciencia.

Estado actual y futuro de los ordenadores cuánticos

Actualmente, los ordenadores cuánticos se encuentran en una etapa de rápido desarrollo, pero aún están en sus primeras etapas. Varias empresas y laboratorios de investigación han desarrollado ordenadores cuánticos con decenas o incluso miles de cúbits, pero aún no son lo suficientemente potentes o estables como para superar a los ordenadores clásicos en la mayoría de las tareas prácticas.

Sin embargo, se han logrado hitos importantes:

Supremacía cuántica: En 2019, Google anunció que había logrado la «supremacía cuántica», realizando un cálculo en 200 segundos que, según ellos, tomaría 10.000 años hacerlo con el superordenador cásico más potente.
Ventaja cuántica: Empresas como IBM, Google, y startups como IonQ y PsiQuantum continúan aumentando el número de cúbits en sus sistemas y mejorando la fidelidad de las operaciones cuánticas.
Aplicaciones prácticas: Aunque limitadas, ya se están explorando aplicaciones prácticas en campos como la química cuántica y la optimización financiera.

Todo lo anterior puede hacernos pensar que el futuro de la computación cuántica está lleno de posibilidades. El objetivo a corto plazo es conseguir sistemas con decenas de miles o millones de cúbits lógicos capaces de realizar cálculos complejos sin errores. Esto permitiría crear redes de ordenadores cuánticos que multiplicarían las aplicaciones prácticas en casi cualquier sector industrial.

Qué es la supremacía cuántica

La supremacía cuántica es un concepto de la informática o computación cuántica que se refiere al punto en el que un dispositivo cuántico puede realizar cálculos que serían prácticamente imposibles para que un ordenador clásico pueda hacerlo en un tiempo razonable, por muy grande y potente que sea.

Este concepto fue propuesto teóricamente por John Preskill en 2012, pero la primera demostración práctica ocurrió en 2019 con el procesador cuántico Sycamore de Google. Google afirmó que su computadora cuántica de 53 cúbits pudo realizar en 200 segundos un cálculo que al supercomputador clásico más potente le llevaría 10.000 años.

Lo cierto es que, poco después de este anuncio, IBM cuestionó esta afirmación, argumentando que un supercomputador clásico podría realizar el mismo cálculo en 2,5 días, no en 10.000 años. Esto generó un debate en la comunidad científica sobre la definición exacta de supremacía cuántica y qué quiere decir un tiempo razonable.

En 2020, un equipo de investigadores chinos afirmó también haber alcanzado la supremacía cuántica utilizando fotones en lugar de cúbits superconductores. Su sistema, llamado Jiuzhang, supuestamente realizó un cálculo en 200 segundos que le tomaría 2,5 mil millones de años al supercomputador más rápido del mundo. El desarrollo del ordenador Jiuzhang fue liderado por la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC, ubicada en Hefei, provincia de Anhui).

Los ordenadores cuánticos Sycamore de Google y el chino Jiuzhang utilizan tecnologías distinta. En cualquier caso, los cálculos realizados por cada unos de ellos para demostrar la supremacía cuántica, aún siendo diferentes, se diseñaron específicamente para aprovechar las ventajas de sus sistemas cuánticos. Esto es, mientras que abordan problemas relativamente fáciles de implementar en sistemas cuánticos, son problemas especialmente difíciles de simular en ordenadores clásicos.

En definitiva, se trata de problemas teóricos sin aplicaciones prácticas reales. Es simplemente un juego. La supremacía cuántica es más una prueba de concepto que una aplicación útil en sí misma. En cualquier caso, el campo de la computación cuántica está evolucionando rápidamente y generando debates intensos en la comunidad científica y tecnológica.

Implicaciones éticas y sociales

La computación o informática cuántica tiene el potencial de transformar nuestra sociedad de maneras profundas y positivas. Sin embargo, es esencial abordar las implicaciones éticas y sociales de esta tecnología de manera proactiva y responsable para garantizar que se desarrolle y utilice en beneficio de toda la humanidad. La colaboración global, la transparencia, la participación pública y la educación son clave para gestionar este nuevo paradigma tecnológico y construir un futuro mejor para todos.

Entre las principales cuestiones éticas y sociales de esta tecnología podemos mencionar las siguientes:

Seguridad y privacidad: La capacidad de los ordenadores cuánticos para romper los sistemas de cifrado actuales plantea serias preocupaciones sobre la privacidad y la seguridad de los datos. Esto podría tener graves consecuencias para la privacidad individual, la seguridad nacional y la estabilidad económica.
Brecha tecnológica: El alto costo y la complejidad de la tecnología cuántica podrían ampliar la brecha entre países desarrollados y en desarrollo. Quienes tengan acceso a esta tecnología podrían tener una ventaja significativa en áreas como la investigación científica, la industria y la defensa, mientras que aquellos que no la tengan podrían quedarse atrás.
Impacto en el empleo: Como con la IA, existe la preocupación de que la computación cuántica pueda automatizar ciertos trabajos, particularmente en campos como las finanzas y la investigación científica, lo que tendrá una implicación en el empleo.
Carrera armamentística tecnológica: La ventaja estratégica que ofrecen los ordenadores cuánticos podría intensificar la competencia tecnológica entre naciones.
Desafíos regulatorios: Los gobiernos y las organizaciones internacionales tendrán que desarrollar nuevas regulaciones para abordar las capacidades únicas de la tecnología cuántica. La falta de marcos legales y regulaciones internacionales para la utilización de ordenadores cuánticos podría generar un vacío legal que permita el uso indebido de esta tecnología.

Quizás estamos todavía en los comienzos, pero es evidente que tarde o temprano se necesitará una colaboración global para establecer normas y protocolos éticos para el desarrollo y la aplicación de la computación cuántica. Es crucial fomentar la transparencia y la participación pública en el desarrollo de esta tecnología. La sociedad debe estar informada sobre sus posibles beneficios y riesgos, así como tener la oportunidad de expresar sus preocupaciones y participar en la toma de decisiones sobre su futuro.

Conclusión

Los ordenadores cuánticos representan una frontera emocionante para la ciencia y la tecnología. Aunque todavía está en sus primeras etapas, su potencial para transformar campos tan diversos como la criptografía, la química, las finanzas y la inteligencia artificial es enorme.

A medida que avanzamos hacia un futuro cuántico, es crucial que sigamos investigando, innovando y, lo que es más importante, educando al público sobre esta tecnología transformadora. La computación cuántica no es solo un avance tecnológico; al igual que la IA, es un nuevo paradigma que podría redefinir lo que consideramos posible en el procesamiento de la información.

Si bien los desafíos son significativos, el ritmo de progreso en el campo es alentador. En las próximas décadas, es probable que veamos avances que hoy parecen ciencia ficción. La era cuántica está llegando, y promete ser tan revolucionaria como la era de los ordenadores clásicos que la precedió.

Como sociedad, debemos prepararnos para este futuro cuántico, no solo desarrollando la tecnología, sino también considerando cuidadosamente sus implicaciones éticas y sociales. Los ordenadores cuánticos tienen el potencial de resolver algunos de los problemas más apremiantes de nuestro tiempo, pero también plantea nuevos desafíos que deberemos abordar colectivamente.

Este artículo ha proporcionado una visión general de los ordenadores cuánticos, desde sus fundamentos hasta sus aplicaciones potenciales y desafíos. Espero que haya servido para desmitificar este campo complejo y estimular la curiosidad por aprender más sobre esta tecnología revolucionaria.

Más información

En este artículo se ha abordado cómo funciona los ordenadores cuánticos y cómo cambiarán nuestras vidas. Espero que hayas disfrutado explorando estas ideas fascinantes y que te hayan inspirado a aprender más sobre la ciencia que explica nuestro universo. Si busca inspiración o simplemente te interesan estos temas, en este blog se dispone de otros muchos contenidos relacionados. Por favor, utilice el buscador de contenidos que tenemos en la cabecera.

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