Desde que en 1944 un equipo de ingenieros y científicos de la Universidad de Pensilvania (EE.UU.) crease la primera computadora digital electrónica de la historia, la tecnología ha evolucionado exponencialmente. Esta máquina bautizada como ENIAC ocupaba todo el espacio de un sótano en la universidad; su consumo era de varios kW de potencia y sus 18 mil tubos de vacío sumaban varias toneladas de peso.
Desde entonces, la obsesión por la funcionalidad, el tamaño y la velocidad ha ido en aumento hasta rozar lo obsesivo. A finales de la década de 1950, el uso del transistor liberó el tamaño sin sacrificar la funcionalidad, ya que se consiguieron máquinas más pequeñas, versátiles y veloces, además de consumir mucha menos energía. El siguiente paso fue el circuito integrado (a finales de los 60), que agrupaba varios transistores en una única base de silicio. Los precios, los tamaños y los porcentajes de error fueron reduciéndose hasta llegar al microprocesador, donde varios miles de transistores habitan soldados en una misma placa de silicio.
Cuando el tamaño continúa reduciéndose hasta llegar a la escala nanométrica, los ingenieros comienzan a tener problemas. La computación clásica funciona sobre la base de 0 y 1, conceptos abstractos que denominamos bits. En realidad son pequeñas corrientes eléctricas que representan estos valores y que pasan a través de esos pequeños interruptores que denominamos transistores. El problema surge cuando llegamos a la escala de los 3 nanómetros porque se podría crear el denominado “efecto túnel”: a distancias tan ínfimas se corre el riesgo de que los electrones no permanezcan en los canales por los que deben discurrir y, por tanto, generarían errores
El gato de Schröndinger
Imaginemos una caja. Dentro de ella hay un gato. Y junto al gato, hay un artilugio compuesto por una ampolla llena de veneno y un dispositivo con una sola partícula radiactiva que posee un 50% de posibilidades de desintegrarse. Si esto ocurriese, el veneno se liberaría por la caja matando al pobre felino. La posibilidad de que el gato viva o muera es de un 50%, pero para un observador (atendiendo las leyes de la física cuántica), hasta el momento en que se abra la caja, el gato estaría vivo y muerto al mismo tiempo.
Se trata de una compleja analogía, ya que se basa en un concepto esencial de la física cuántica, la dualidad onda-partícula. Un electrón, de hecho, se comporta como partícula y como onda al mismo tiempo; y sólo vira su naturaleza hacia onda o partícula hasta el momento en que es observado. Esta superposición de estados es la base que se sustenta la denominada computación cuántica. Si hasta el momento los transistores utilizados por la computación tan sólo podían generar una información equivalente a 0 ó 1, con la aplicación de la física cuántica un transistor podría superponer ambos estados, siendo 0 y 1 al mismo tiempo. ¿El resultado? Podríamos disponer de ordenadores mucho más rápidos y eficientes, con una capacidad de computación enorme basada en esta superposición de ambos estados, denominada qubit (o bit cuántico).
Computación cuántica
La indiscutible ventaja que tiene un qubit frente al clásico bit es que el número de operaciones que se pueden realizar crece de manera exponencial. Un qubit puede hacer dos operaciones a la vez; dos qubits pueden realizar cuatro operaciones; cuatro qubits pueden hacer ocho operaciones… Quince simples qubits pueden enfrentarse a 32,768 operaciones. La potencia exponencial de cálculo (2 elevado a n) convertiría cálculos infinitamente complejos en fácilmente resolubles.
Charles Bennet, físico e investigador, fue el primero en plantear dentro de IBM en 1972 la teoría cuántica en el ámbito de la computación. Aunque es muy difícil comparar la computación cuántica con la clásica, su potencial es mucho mayor. Los qubits pueden existir simultáneamente en forma de 0 y 1 y, además, podrían entrelazarse entre sí en lo que se denomina interferencia cuántica. Es decir, unos pocos qubits pueden realizar de forma simultánea una cantidad de cálculos tan grande que superaría en número a la cantidad de átomos que hay en nuestro universo.
Pero no hemos de olvidar que la computación cuántica está dando sus primeros pasos ahora. Haciendo una analogía con la computación clásica, equivaldría a ese momento en el que no se computaba con lenguajes de programación y se usaban tarjetas perforadas para plasmar los registros binarios. En la cuántica no hay valores de voltajes, sino estados cuánticos asociados a propiedades de las partículas (como el spin- o giro- de un electrón). Es un concepto completamente distinto.
En la computación cuántica no tenemos valores de voltajes para los registros binarios, sino estados cuánticos que tienen lugar en el corazón de los qubits. Esos qubits no se caracterizan por su voltaje, como los bits de los ordenadores binarios, sino por su estado cuántico asociado a propiedades tales como el spin de un electrón. En definitiva, un ordenador cuántico exige conceptos, algoritmos y tecnologías completamente diferentes a las de un ordenador binario.
¿Cómo es un ordenador cuántico?
A principios de 2019, IBM lanzó el Q System One, el primer ordenador cuántico comercial. Se trata de un cubo hermético de 2,7 metros hecho con un vidrio de casi 1,3 cm de espesor. Este modelo experimental requiere unas condiciones únicas, tan difíciles de conseguir como costosas en concepto.
Para empezar, un ordenador cuántico exige una temperatura extremadamente baja para evitar que la energía térmica facilite un cambio de estado espontáneo de los qubits. Por eso es necesario que su núcleo esté aislado con temperaturas de cero absoluto (-273ºC). Lógicamente, no es una condición fácilmente replicable en cualquier lugar.
En un ordenador cuántico no hay memoria ni disco duro. No se parece en nada a lo que tenemos sobre nuestras mesas a día de hoy. Tan sólo se basa en un procesador al que se hacen llegar las señales de microondas que gestionan los estados de los qubits. Las microondas funcionan en frecuencias específicas para forzar estados en los qubits mediante sus propiedades de superposición, entrelazamiento e interferencia. El procesador se encuentra encapsulado en un receptáculo que genera distintos niveles de enfriamiento. Sobre él se ubica el sistema de control que, mediante microondas y sistemas de computación tradicional, interpretan el estado de los qubits de cara a los resultados.
Pero la computación cuántica no desplazará a la clásica. La lógica binaria sigue siendo necesaria para poder alcanzar mayores cotas en la computación. La cuántica podría funcionar, de hecho, como complemento perfecto para acelerar algoritmos y cálculos que la lógica booleana tardaría millones de años en digerir. Sin duda alguna, estamos viviendo el nacimiento de esta nueva tecnología, y tardaremos años en ver cómo la computación cuántica impacta en nuestras vidas en el sentido más práctico.
La supremacía cuántica es un hito complejo. Los expertos coinciden en que ésta tendrá lugar cuando un ordenador cuántico pueda resolver el mismo problema que un supercomputador en un tiempo menor. Google, de hecho, afirma que su procesador cuántico Bristlecone está a punto de conseguirlo. El tiempo dirá si se trata de un deseo o de una realidad.
No obstante, no podemos obviar que, aunque la capacidad de procesamiento sea exponencialmente mayor, los ordenadores cuánticos poseen numerosos errores que deben corregirse para que la supremacía de esta computación sea un hecho. La naturaleza cuántica es inestable y, a pesar de su coherencia, es difícil mantener su estado por un prolongado espacio de tiempo.
De cualquier manera, la computación cuántica supone un avance impresionante no sólo en las capacidades tecnológicas que nos brinda su desarrollo, sino como la aplicación de una de las más complejas teorías científicas al terreno material.
