¿Qué es un ordenador cuántico?

Para entender qué es un ordenador cuántico y cómo se diferencia de uno clásico, tenemos que empezar por explicar qué son los bits y los qubits, las unidades básicas de información que utilizan cada uno de ellos.

Qué son los bits y los qubits

Los bits son los elementos fundamentales de la información en los ordenadores clásicos. Un bit puede tener solo dos valores posibles: 0 o 1. Estos valores se representan mediante impulsos eléctricos o estados magnéticos en los circuitos y dispositivos electrónicos. Con una secuencia de bits se puede codificar cualquier tipo de información, como números, letras, imágenes, sonidos, etc.

Los qubits son los elementos fundamentales de la información en los ordenadores cuánticos. Un qubit puede tener también dos valores posibles: 0 o 1. Sin embargo, a diferencia de los bits, un qubit puede estar en una superposición de ambos valores al mismo tiempo, es decir, puede tener una cierta probabilidad de ser 0 y otra de ser 1. Esta probabilidad depende del estado cuántico del qubit, que se representa mediante una función matemática llamada función de onda. Los qubits se pueden crear y manipular utilizando partículas subatómicas como electrones, fotones, átomos o iones, que tienen propiedades cuánticas.

La ventaja de los qubits sobre los bits es que pueden almacenar y procesar mucha más información con menos recursos. Por ejemplo, dos bits pueden representar cuatro combinaciones posibles: 00, 01, 10 o 11. Pero dos qubits pueden representar las cuatro combinaciones al mismo tiempo, gracias a la superposición. Esto significa que un ordenador cuántico con n qubits puede realizar operaciones con 2^n estados simultáneamente, mientras que un ordenador clásico con n bits solo puede hacerlo con uno.

Qué son la superposición y el entrelazamiento cuánticos

La superposición y el entrelazamiento cuánticos son dos fenómenos de la mecánica cuántica que permiten a los qubits tener propiedades extraordinarias.

La superposición cuántica es el principio que permite a un qubit estar en una combinación de dos valores al mismo tiempo. La superposición se mantiene mientras el qubit no sea observado o medido. En ese momento, el qubit colapsa en uno de los dos valores posibles, según la probabilidad determinada por su función de onda. Este proceso es aleatorio e irreversible, lo que implica una gran incertidumbre y dificultad para acceder a la información almacenada en los qubits.

El entrelazamiento cuántico es el principio que permite a dos o más qubits estar conectados de tal forma que el estado de uno depende del estado del otro, incluso si están separados por grandes distancias. Esto significa que al medir el estado de un qubit entrelazado se puede conocer el estado del otro sin necesidad de medirlo directamente. El entrelazamiento permite crear estados cuánticos complejos y realizar operaciones lógicas entre varios qubits.

La superposición y el entrelazamiento cuánticos son las bases para el funcionamiento de los ordenadores cuánticos, ya que permiten crear y manipular estados cuánticos que contienen mucha más información que los estados clásicos.

Qué es la coherencia e incoherencia cuánticas

La coherencia e incoherencia cuánticas son dos conceptos relacionados con la estabilidad y la calidad de los estados cuánticos.

La coherencia cuántica es la propiedad que permite a un sistema cuántico mantener su estado superpuesto o entrelazado sin perder información. La coherencia es esencial para el funcionamiento de los ordenadores cuánticos, ya que garantiza que las operaciones realizadas con los qubits sean fiables y precisas.

La incoherencia cuántica es la pérdida o alteración del estado cuántico debido a la interacción con el entorno externo. La incoherencia provoca errores y ruido en las operaciones realizadas con los qubits, lo que reduce su rendimiento y utilidad. La incoherencia es uno de los principales obstáculos para el desarrollo de los ordenadores cuánticos, ya que dificulta el control y la conservación de los estados cuánticos.

Para evitar o minimizar la incoherencia, los ordenadores cuánticos deben operar a temperaturas muy bajas, cercanas al cero absoluto, y estar aislados de cualquier tipo de interferencia electromagnética o mecánica. También se utilizan técnicas de corrección de errores y de decoherencia controlada para mejorar la calidad de los qubits.

Cómo funciona un ordenador cuántico y qué problemas puede resolver

Un ordenador cuántico funciona mediante la generación, la manipulación y la medición de los qubits, utilizando para ello dispositivos y circuitos especiales que aprovechan las propiedades cuánticas de las partículas subatómicas. A continuación, explicamos cómo se realizan estas tres etapas y qué aplicaciones tiene un ordenador cuántico en diversos campos.

Cómo se generan y se manipulan los qubits

Los qubits se pueden generar utilizando diferentes sistemas físicos que tienen propiedades cuánticas, como electrones, fotones, átomos o iones. Estos sistemas se denominan portadores o soportes de los qubits. Cada portador tiene una característica física que puede tener dos valores posibles, como el spin, la polarización o el nivel de energía. Estos valores se utilizan para codificar los 0 y los 1 de los qubits.

Los qubits se manipulan mediante la aplicación de campos eléctricos, magnéticos u ópticos que modifican el estado cuántico de los portadores. Estos campos se denominan puertas o gates cuánticas. Las puertas cuánticas son análogas a las puertas lógicas que se usan en los ordenadores clásicos, pero con la diferencia de que pueden actuar sobre uno o más qubits al mismo tiempo, creando o modificando estados superpuestos o entrelazados. Existen diferentes tipos de puertas cuánticas, como las puertas de Hadamard, las puertas de Pauli o las puertas CNOT.

Los qubits generados y manipulados se conectan entre sí mediante circuitos o redes cuánticas que permiten realizar operaciones lógicas y aritméticas con ellos. Estos circuitos o redes se denominan algoritmos o programas cuánticos. Los algoritmos cuánticos son secuencias de puertas cuánticas que transforman un estado inicial de entrada en un estado final de salida. Existen diferentes tipos de algoritmos cuánticos, como el algoritmo de Shor, el algoritmo de Grover o el algoritmo de Deutsch-Jozsa.

Cómo se realizan las mediciones en un ordenador cuántico

Las mediciones en un ordenador cuántico son el proceso por el cual se extrae la información contenida en los qubits. Las mediciones son necesarias para obtener el resultado final de las operaciones realizadas con los qubits, pero también implican una pérdida o una alteración del estado cuántico original.

Las mediciones en un ordenador cuántico se realizan mediante dispositivos especiales que detectan el valor del parámetro físico que codifica el qubit, como el spin, la polarización o el nivel de energía. Estos dispositivos se denominan detectores o medidores cuánticos. Los detectores cuánticos son análogos a los detectores clásicos que se usan en los ordenadores clásicos, pero con la diferencia de que solo pueden obtener uno de los dos valores posibles del qubit, según la probabilidad determinada por su función de onda.

Las mediciones en un ordenador cuántico tienen dos características importantes: son aleatorias e irreversibles. Esto significa que no se puede predecir con certeza el resultado de una medición antes de realizarla, ni se puede recuperar el estado anterior del qubit después de realizarla. Por esta razón, las mediciones en un ordenador cuántico deben realizarse con cuidado y solo cuando sea necesario, ya que pueden provocar errores y pérdidas de información.

Qué aplicaciones tiene un ordenador cuántico en diversos campos

Un ordenador cuántico tiene aplicaciones en diversos campos que requieren resolver problemas complejos que son imposibles o muy difíciles para los ordenadores clásicos. Algunos ejemplos son:

• La criptografía: Un ordenador cuántico puede romper algunos de los sistemas de cifrado más utilizados en la actualidad, como el RSA o el ECC, utilizando el algoritmo de Shor, que permite factorizar números grandes en tiempo polinomial. Esto supone un riesgo para la seguridad de las comunicaciones y las transacciones en internet, pero también una oportunidad para desarrollar nuevos sistemas de cifrado más seguros basados en la física cuántica, como el criptosistema de McEliece o el protocolo BB84.
• La inteligencia artificial: Un ordenador cuántico puede mejorar el rendimiento y la eficiencia de los algoritmos de aprendizaje automático, que son la base de la inteligencia artificial. Por ejemplo, el algoritmo de Grover permite buscar elementos en una base de datos no ordenada con una complejidad cuadrática menor que la clásica. Esto facilita la clasificación, la optimización y la extracción de patrones en grandes conjuntos de datos. También existen algoritmos cuánticos para el aprendizaje supervisado, no supervisado y por refuerzo, que pueden aplicarse a diversos problemas como el reconocimiento de imágenes, el procesamiento del lenguaje natural o el control de robots.
• La simulación cuántica: Un ordenador cuántico puede simular sistemas físicos que son difíciles o imposibles de modelar con los ordenadores clásicos, como las moléculas, los materiales o las reacciones químicas. Esto tiene aplicaciones en campos como la química, la física, la biología o la nanotecnología. Por ejemplo, el algoritmo de VQE permite encontrar el estado fundamental y la energía de un sistema cuántico con una precisión arbitraria. Esto puede ayudar a diseñar nuevos fármacos, catalizadores o materiales con propiedades específicas.
• La optimización combinatoria: Un ordenador cuántico puede resolver problemas de optimización combinatoria que consisten en encontrar la mejor solución entre un conjunto finito y discreto de posibilidades. Estos problemas son muy comunes en la ingeniería, la economía, la logística o la informática. Por ejemplo, el problema del viajante consiste en encontrar el camino más corto que pasa por un conjunto de ciudades una sola vez. Este problema es NP-completo, lo que significa que no se conoce ningún algoritmo clásico que lo resuelva en tiempo polinomial. Sin embargo, existen algoritmos cuánticos que pueden aprovechar las propiedades de los qubits para reducir el espacio y el tiempo de búsqueda, como el algoritmo QAOA o el algoritmo QUBO.

Qué ventajas y desafíos tiene el ordenador cuántico

El ordenador cuántico tiene ventajas y desafíos que lo hacen un campo de investigación muy interesante y competitivo. A continuación, explicamos qué es la supremacía cuántica y por qué es importante, qué dificultades presenta el desarrollo de los ordenadores cuánticos y qué perspectivas de futuro tiene la computación cuántica.

Qué es la supremacía cuántica y por qué es importante

La supremacía cuántica es el hito que se alcanza cuando un ordenador cuántico es capaz de realizar una tarea que ningún ordenador clásico puede realizar en un tiempo razonable. Esto significa que el ordenador cuántico demuestra una ventaja significativa y práctica sobre el ordenador clásico para resolver ciertos problemas.

La supremacía cuántica es importante porque supone un avance científico y tecnológico sin precedentes, que abre nuevas posibilidades y desafíos para la informática y otras disciplinas. También implica un cambio de paradigma en la forma de entender y manipular la información, basada en los principios de la mecánica cuántica.

La supremacía cuántica es un objetivo muy ambicioso y difícil de alcanzar, ya que requiere construir ordenadores cuánticos con suficientes qubits y coherencia para realizar operaciones complejas y precisas. Hasta ahora, solo se ha logrado demostrar la supremacía cuántica para tareas muy específicas y artificiales, como generar números aleatorios o realizar cálculos matemáticos abstractos. Sin embargo, se espera que en los próximos años se puedan lograr resultados más relevantes y aplicables a problemas reales.

Qué dificultades presenta el desarrollo de los ordenadores cuánticos

El desarrollo de los ordenadores cuánticos presenta dificultades de diversa índole, que se pueden clasificar en tres categorías: físicas, técnicas y teóricas.

Las dificultades físicas se refieren a los problemas que surgen al crear y mantener los qubits y los estados cuánticos. Estos problemas son:

• La incoherencia: Como hemos visto, la incoherencia es la pérdida o alteración del estado cuántico debido a la interacción con el entorno externo. La incoherencia provoca errores y ruido en las operaciones realizadas con los qubits, lo que reduce su rendimiento y utilidad. Para evitar o minimizar la incoherencia, los ordenadores cuánticos deben operar a temperaturas muy bajas, cercanas al cero absoluto, y estar aislados de cualquier tipo de interferencia electromagnética o mecánica. También se utilizan técnicas de corrección de errores y de decoherencia controlada para mejorar la calidad de los qubits.
• La escalabilidad: La escalabilidad es la capacidad de aumentar el número de qubits y las operaciones que se pueden realizar con ellos. La escalabilidad es esencial para lograr la supremacía cuántica y resolver problemas complejos que requieren muchos qubits. Sin embargo, la escalabilidad es difícil de conseguir, ya que implica mantener la coherencia y el control de los qubits, así como reducir el coste y el tamaño de los dispositivos y circuitos que los generan y manipulan. Actualmente, el ordenador cuántico más potente del mundo tiene 72 qubits, pero se estima que se necesitarían al menos 1000 qubits para superar a los ordenadores clásicos más avanzados.
• La fiabilidad: La fiabilidad es la capacidad de obtener resultados correctos y consistentes con las operaciones realizadas con los qubits. La fiabilidad es importante para garantizar la validez y la utilidad de los ordenadores cuánticos. Sin embargo, la fiabilidad es difícil de asegurar, ya que depende de la calidad y la precisión de los qubits, las puertas, los algoritmos y las mediciones. Además, la fiabilidad se ve afectada por la incertidumbre y el azar inherentes a la mecánica cuántica, lo que implica que no se puede predecir con certeza el resultado de una operación antes de realizarla, ni se puede repetir exactamente el mismo experimento.

Las dificultades técnicas se refieren a los problemas que surgen al diseñar e implementar los dispositivos y circuitos que generan, manipulan y miden los qubits. Estos problemas son:

• La compatibilidad: La compatibilidad es la capacidad de integrar diferentes sistemas físicos que se utilizan para crear y controlar los qubits. La compatibilidad es necesaria para lograr una mayor diversidad y flexibilidad en el diseño y el funcionamiento de los ordenadores cuánticos. Sin embargo, la compatibilidad es difícil de lograr, ya que implica coordinar las propiedades y las condiciones óptimas de cada sistema físico, como la temperatura, el voltaje o la frecuencia. Además, la compatibilidad se ve limitada por las restricciones tecnológicas y materiales existentes, como el tamaño, el peso o el consumo energético.
• La modularidad: La modularidad es la capacidad de dividir y combinar diferentes componentes que se utilizan para generar y manipular los qubits. La modularidad es conveniente para facilitar el montaje y el mantenimiento de los ordenadores cuánticos. Sin embargo, la modularidad es difícil de conseguir, ya que implica mantener la coherencia y el entrelazamiento entre los qubits que forman parte de diferentes módulos o unidades. Además, la modularidad se ve restringida por las limitaciones físicas y geométricas existentes, como la distancia, la orientación o la conexión.
• La estandarización: La estandarización es la capacidad de definir y seguir unos criterios comunes que regulen el diseño y el funcionamiento de los ordenadores cuánticos. La estandarización es útil para favorecer la interoperabilidad y la comparación entre diferentes modelos y plataformas de ordenadores cuánticos. Sin embargo, la estandarización es difícil de alcanzar, ya que implica consensuar y armonizar las especificaciones técnicas y las normas éticas y legales que rigen el desarrollo y el uso de los ordenadores cuánticos. Además, la estandarización se ve obstaculizada por la competencia y la diversidad.
• La competencia y la diversidad que existen entre los diferentes actores e intereses que participan en el campo de la computación cuántica.

Las dificultades teóricas se refieren a los problemas que surgen al definir y comprender los conceptos y los principios que rigen el funcionamiento de los ordenadores cuánticos. Estos problemas son:

• La interpretación: La interpretación es la capacidad de dar un sentido físico y filosófico a los fenómenos y las leyes de la mecánica cuántica. La interpretación es necesaria para fundamentar y justificar el desarrollo y el uso de los ordenadores cuánticos. Sin embargo, la interpretación es difícil de lograr, ya que implica enfrentarse a cuestiones profundas y paradójicas que desafían el sentido común y la intuición. Además, la interpretación se ve condicionada por las preferencias y las creencias personales de cada investigador o usuario.
• La verificación: La verificación es la capacidad de comprobar y validar los resultados obtenidos con los ordenadores cuánticos. La verificación es importante para asegurar la fiabilidad y la utilidad de los ordenadores cuánticos. Sin embargo, la verificación es difícil de realizar, ya que implica comparar y contrastar los resultados cuánticos con los resultados clásicos, que pueden ser inaccesibles o incomparables. Además, la verificación se ve limitada por la incertidumbre y el azar inherentes a la mecánica cuántica, lo que implica que no se puede repetir exactamente el mismo experimento ni se puede garantizar el mismo resultado.
• La complejidad: La complejidad es la capacidad de medir y clasificar la dificultad de los problemas que se pueden resolver con los ordenadores cuánticos. La complejidad es útil para determinar las ventajas y las limitaciones de los ordenadores cuánticos. Sin embargo, la complejidad es difícil de definir y calcular, ya que implica establecer unos criterios y unos parámetros objetivos y universales que caractericen el comportamiento y el rendimiento de los ordenadores cuánticos. Además, la complejidad se ve afectada por la variabilidad y la evolución de los problemas y de los algoritmos que se utilizan para resolverlos.

Qué perspectivas de futuro tiene la computación cuántica

La computación cuántica tiene perspectivas de futuro muy prometedoras y desafiantes, que dependen en gran medida de cómo se puedan superar o mitigar las dificultades que hemos mencionado anteriormente. Algunas de estas perspectivas son:

• La integración: La integración es el objetivo de combinar los ordenadores cuánticos con los ordenadores clásicos, aprovechando lo mejor de cada uno. La integración permitiría crear sistemas híbridos que puedan resolver problemas más variados y eficientes, utilizando los ordenadores clásicos para las tareas más sencillas y rutinarias, y los ordenadores cuánticos para las tareas más complejas y creativas. Para lograr la integración, se necesitan desarrollar interfaces y protocolos que faciliten la comunicación y la compatibilidad entre ambos tipos de ordenadores.
• La democratización: La democratización es el objetivo de hacer accesibles y asequibles los ordenadores cuánticos para un mayor número de personas e instituciones, ampliando su alcance y su impacto social. La democratización implicaría reducir el coste y el tamaño de los dispositivos y circuitos que generan y manipulan los qubits, así como mejorar su fiabilidad y su facilidad de uso. También implicaría crear plataformas y servicios en línea que permitan acceder a los recursos y las aplicaciones de los ordenadores cuánticos desde cualquier lugar y dispositivo.
• La innovación: La innovación es el objetivo de explorar nuevas posibilidades y aplicaciones de los ordenadores cuánticos, generando nuevos conocimientos y beneficios para la ciencia, la tecnología, la economía o la sociedad. La innovación supondría descubrir nuevos fenómenos y leyes físicas relacionados con la mecánica cuántica, así como desarrollar nuevos algoritmos y programas cuánticos que puedan resolver problemas inéditos o mejorar las soluciones existentes. También supondría crear nuevos productos y servicios basados en las ventajas y las capacidades de los ordenadores cuánticos