Computación cuántica: al estilo de la naturaleza

Para lograr esto, el grado de miniaturización de los componentes electrónicos requeridos ha llegado a magnitudes similares a las de los átomos, y en este mundo pasan cosas muy extrañas y diferentes a la vida que conocemos. Se trata del mundo de la física cuántica y la mecánica cuántica.

En ese mundo actualmente se presentan dos situaciones: la primera es que ocurren fenómenos que impiden la utilización de los métodos conocidos hasta ahora para lograr mayores capacidades de procesamiento y seguir reduciendo el tamaño de los circuitos electrónicos. De allí, para atender la creciente demanda de mayor capacidad de manejo de datos, ha habido que recurrir al desarrollo de métodos alternativos de programación y novedosas formas de disponer y combinar los diferentes componentes que forma parte de una computadora.

La segunda es que se plantea la necesidad de recurrir a métodos totalmente diferentes de hacer las cosas, es decir, buscar formas alternativas de construir el hardware y de concebir el software respectivo. Si se trata de un mundo cuántico, hagamos entonces computadoras cuánticas. Este planteamiento ya lo había hecho por los años 80 el Premio Nobel de Física Richard Feynman, pero tanto razones técnicas como económicas habían impedido grandes avances en este sentido.

Pero entonces surge la pregunta: ¿qué implica construir computadoras cuánticas? En realidad se trata de un cambio radical de paradigma. Lo que ahora podemos llamar la computación clásica se ha basado en la utilización de un sistema binario, en la cual la unidad básica de información, llamada bit, solo puede tener uno de dos valores 0 o 1. La escogencia de este sistema tuvo que ver con el hecho de que representa solo dos estados, contrapuestos y excluyentes, como abierto y cerrado, gira a la derecha y gira a la izquierda, arriba y abajo; todos muy fáciles de instrumentar con circuitos electrónicos, fundamentalmente transistores.

El asunto es que en el mundo cuántico, como ya indicamos, las cosas cambian. Allí ocurre que partículas como el electrón son partículas y también ondas. También pasa que un bit cuántico, denominado cubit, puede ser un 0 y un 1, ¡al mismo tiempo!

A ese fenómeno de poder adoptar simultáneamente dos valores que en nuestro mundo son excluyentes se le conoce como Superposición, lo cual no es una teoría sino un hecho más que comprobado. Lo bueno es que esta propiedad posibilita vislumbrar soluciones que superan ampliamente los horizontes de la computación clásica.

Mientras en la computación clásica agregar un bit representa incrementar en uno los estados que se pueden representar en un momento determinado, en la computación cuántica agregar un cubit implica duplicar los estados que simultáneamente se pueden representar. Es así que un número de 4 bits representa cuatro estados simultáneos, pero uno de 4 cubits representa 2 x 2 x 2 x 2 = 16. Si desea tener una mejor idea de lo que esto significa cuando se agregan algunos cubits, le invito a usar su calculadora o computadora para determinar la cantidad de estados simultáneos que un número de 40 cubits puede tener, para lo cual deberá calcular cuánto es 240 (2 elevado a la 40).

En términos prácticos esta propiedad de la superposición le da a las computadoras cuánticas la posibilidad de procesar simultáneamente una cantidad enorme de data como la que se requiere en campos como la predicción del tiempo y de fenómenos naturales.

Por muy extraño que todo esto pueda parecernos, el hecho real es que la naturaleza, está conformada por la agregación todavía no suficientemente entendida de esas átomos y otras partículas que conforman moléculas, y tejidos más elaborados hasta transformarse en plantas, animales y seres humanos, y todo tipo de elementos. Y es precisamente a ese nivel atómico, en el cual las leyes que dominan son las cuánticas, donde se llevan a cabo procesos complejos como la síntesis de proteínas o enzimas, que hasta ahora se nos hace prácticamente imposible emular o modelar con las computadoras, más aún supercomputadoras, que hasta ahora hemos tenido a disposición.

Una de las esperanzas más importantes que se tienen con respecto a la computación cuántica es que logremos computar como lo hace la naturaleza, para así lograr simular y hasta sintetizar moléculas que nos lleven a producir curas para males que aquejan la humanidad como el cáncer, la esquizofrenia, demencia, y tantos otros. Esto combinado con una secuenciación de genomas inmediata y económica tiene el potencial de producir medicinas totalmente individualizadas.

Igualmente hay problemas de optimización de recursos y tomas de decisiones que se podrán resolver en tiempos razonables. Las aplicaciones en inteligencia artificial y aprendizaje de máquinas son también campos en los que se espera que la computación cuántica realice aportes importantes. Uno de los campos de aplicación que ganará terreno muy rápidamente es el de la computación en la nube, ya que seguramente pasará tiempo antes de que tengamos una computadora cuántica en nuestra escritorio, pero se podrán utilizar sus capacidades para colocar en las enormes instalaciones que conforman la nube.

En resumen, “Las computadoras cuánticas no son una versión más pequeña o más rápida de los computadoras de hoy en día, más bien representan una forma fundamentalmente nueva de computar en la forma en la que la naturaleza lo hace.” (1)

Google, IBM, Amazon, Microsoft e Intel, entre otros, ya invierten importantes sumas de dinero en este campo. Para aquellos que quieran inclusive entrar y experimentar con esta tecnología, pueden hacerlo a través del link: https://quantum-computing.ibm.com.

Se podría decir que las tres revoluciones industriales ocurridas desde 1760 tuvieron cada una de ellas dos o tres elementos centrales que fueron claves para los grandes cambios que en ellas se generaron. La Cuarta Revolución Industrial se perfila más bien como una gran sinfonía de tecnologías en la cual el primer violín será la Computación Cuántica.

(1) Scott Aaronson. “What Quantum Computing Isn’t “, Scott Aaronson. TEDxDresden