¿Qué sabemos de los ordenadores del futuro?

Particularidades y avances de la computación cuántica

Atomium de Bruselas. /Pxhere

La computación cuántica se basa en las propiedades de la física cuántica, imposibles de predecir con la simple observación del mundo que nos rodea. En el universo de las partículas más pequeñas, las leyes de la naturaleza a las que estamos acostumbrados no tienen validez, y en cambio aparecen características altamente contraintuitivas, pero fascinantes: las partículas pueden estar en dos lugares a la vez, teletransportarse, entrelazarse de manera única y, como consecuencia, permitir una nueva concepción del manejo de la información.

Según estas leyes, cuando nadie observa una partícula, esta no tiene características definidas y puede presentar todos los valores de sus propiedades a la vez. Esta extraña particularidad constituye la base de la computación cuántica y, por tanto, del funcionamiento de los ordenadores cuánticos. Pero la física de partículas es tan misteriosa que aunque los científicos saben cómo construirlos, cómo tienen que funcionar y qué programas ejecutar, se necesitan unas condiciones muy especiales y un control de su funcionamiento aún no alcanzado.

Como los convencionales, los ordenadores cuánticos se utilizarán para resolver problemas: predecir el tiempo o buscar en bases de datos; pero con la promesa de una rapidez y precisión nunca vistas. Pero otro gran avance será la posibilidad de simular los estados cuánticos de la materia. Permitirán estudiar las interacciones entre átomos o moléculas de forma muy precisa y se espera que esto acelere la investigación de nuevos medicamentos, nuevos materiales y nuevos componentes físicos para el día a día.

Para entender de qué estamos hablando necesitamos, antes de continuar, un pequeño glosario:

Cúbit o qubit: Inspirándose en las partículas subatómicas como los electrones, se creó el cúbit. Si el bit es la unidad mínima de información en los ordenadores convencionales, este lo es de los cuánticos. La diferencia principal entre ellos es que el bit entrega resultados binarios (0 y 1), mientras que el cúbit, aprovechando las propiedades de la mecánica cuántica, puede tener ambos valores al mismo tiempo (0 y 1), lo que da pie a una velocidad de resolución de problemas mucho más acelerada. Para crearlos, se usan átomos fijados por láser, trampas de iones o las propiedades de los superconductores.

Entrelazamiento: Esto es, la interrelación de los estados cuánticos de varias partículas, independientemente de la distancia entre ellas. Implica que dos partículas están unidas de modo que lo que suceda a una afectará automáticamente a la otra, sin importar lo separadas que estén. Aún no se conoce el por qué de este entrelazamiento, hasta ahora, la suposición general era que tales pares provienen necesariamente de puntos individuales en el espacio, pero investigadores de la Universidad de East Anglia (UEA) han demostrado que cuando los fotones (las partículas fundamentales de la luz) son creadas de forma emparejada, pueden surgir de diferente lugar. Aunque esto contradice abiertamente los principios de la física clásica, expertos del Reino Unido han demostrado matemáticamente que el entrelazamiento es una condición necesaria para la existencia de cualquier límite clásico en la teoría clásica.

Superposición: Es la base de la computación cuántica, basada en la idea de que una partícula, hasta que se la observa, se encuentra en dos estados a la vez (como el gato del expertimento de Schrödinger, que como hasta que no abrieras la caja no sabías si estaba vivo o muerto, se encontraba tanto vivo como muerto). Unas décadas después de que el físico ideara este experimento para reflexionar sobre la naturaleza de la realidad en nuestro Universo, los físicos se dieron cuenta que los átomos pueden comportarse como una versión real de los estados gemelos del gato. En 2005, un equipo del SLAC National Accelerator Laboratory de Estados Unidos demostró que 6 átomos giraban en sentido horario y antihorario al mismo tiempo. Recientemente, un grupo de físicos filmó átomos entrando en un estado similar al del gato de Schrödinger, revelando cómo se ven cuando existen en dos estados diferentes al mismo tiempo. El equipo creó una técnica que le permitió capturar detalles tan pequeños de hasta 0.3 ångström (mucho menores que la anchura de un átomo) y tan breves como 30 millonésimas de una milmillonésima de un segundo. Las imágenes formaron la primera película en stopmotion de un estado gatuno atómico.

SLAC National Accelerator Laboratory

Dos tipos de computación en lucha

Entre los modelos experimentales de ordenadores cuánticos, podemos distinguir dos tipos básicos: de iones y de superconductores. El primero se basa en el comportamiento de átomos que levitan en el espacio y deben mantenerse completamente aislados (no pueden encontrarse con ninguna molécula) en condiciones de vacío. Por ahora, estos prototipos son los más eficientes y precisos, y contienen una mayor cantidad de cúbits. A día de hoy, el ordenador cuántico de iones más potente se encuentra en el Instituto de Óptica e Información Cuántica de Innsbruck (Austria) y puede manipular ocho iones. El ordenador de iones es actualmente un instrumento útil en investigación, pero no mejora a los ocnvencionales en su capacidad de cómputo.

En los que pertenecen a la segunda clase, los cúbits están fabricados con superconductores, unos materiales por los que transita con facilidad la electricidad, pero solo bajo circunstancias muy específicas: necesitan estar acompañados de equipos que los enfríen hasta temperaturas del orden de - 273°C (o lo que es lo mismo, cerca de 0ºK, el cero absoluto). Ambas modalidades requieren un contexto y unas condiciones muy específicas.

Los caprichos de la computación cuántica

El enfriamiento: Dado que los superconductores son muy delicados y necesitan funcionar a temperaturas cercanas al cero absoluto, cualquier cambio de temperatura podría desestabilizarlos y producir errores de cálculo. Para controlarlo, se emplean cúbits basados en átomos fríos que levitan en el aire gracias a la acción de láseres dispuestos de tal modo que al golpear los átomos, estos reducen su temperatura. De esta manera, se puede obtener un conjunto de átomos fríos que, mediante sus interacciones cuánticas, son capaces de resolver operaciones. Para solucionar este problema, a través del uso de un láser, científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Boulder (EE.UU.), han logrado enfriar una membrana de aluminio a una temperatura 10.000 veces inferior a la del vacío en el espacio exterior (-270,45° C).

La hipersensibilidad: Los pulsos de luz que reciben deben ser perfectos, algo que no resulta fácil de conseguir. La función de los láseres es leer la información contenida en los cúbits, así que si el color cambia, aunque sea mínimamente, los ordenadores cuánticos no funcionan bien.

La decoherencia: Los resultados han de poderse leer tras el cálculo.  Cómo un estado cuántico entrelazado puede dar lugar a un estado físico clásico se explica con la decoherencia, la razón por la que no vemos superposiciones cuánticas a nuestro alrededor.

La carrera por el ordenador cuántico

Desde el punto de vista teórico, a finales de los ochenta y principios de los noventa se establecieron las bases fundamentales de la computación cuántica. En 1996,  Peter W. Shor publicó lo que ahora se conoce como algoritmo de Shor, que permite factorizar un número producto de dos primos con una velocidad mucho mayor que los algoritmos clásicos conocidos. La importancia de este logro para los simples mortales es que en él se basan la mayoría de métodos criptográficos usados actualmente: la teoría es que, con un ordenador cuántico suficientemente grande, alguien podría desencriptar todas nuestras comunicaciones. Y esto es muy atractivo a niver militar y gubernamental, por lo que la financiación de las investigaciones en esta línea empezó a crecer. Pero existía un problema añadido: la posibilidad de manipular individualmente partículas pequeñas o subatómicas era inconcebible cuando se pensó por primera vez en este tipo de comunicación. Sin embargo, en 2012, el Premio Nobel de Física recayó en Serge Haroche y David J. Wineland por conseguirlo.

Actualmente, la NASA y Google trabajan en su compañía D-wave (Canadá) en el ordenador D-Wave 2x, para investigar las posibles aplicaciones de la computación cuántica en inteligencia artificial y aprendizaje automático. La empresa canadiense ha anunciado el inicio de ventas de su nueva computadora cuántica y reveló el nombre del primer comprador de su sistema. El primer D-Wave 2000Q (de 2000 cúbits) fue adquirido por la empresa Temporal Defense Systems Inc. especializada en seguridad cibernética. El dispositivo amplía la gama de computadoras de la empresa de este tipo. Entre sus posibles aplicaciones se anuncia una variedad de problemas de optimización, ciberseguridad y aprendizaje automático.

D-wave 2000q. /D-wave

Los primeros ordenadores D-wave consistían en solo 16 cúbits, hasta que en el 2015, sus sistemas de 1000 bits cuánticos fueron comprados por la NASA y Google. Recientemente, continuando con la tradición de duplicar las unidades de información cada dos años, la empresa presentó un ordenador de 2.000 cúbits. El procesador tiene un tamaño no mayor al de una uña, pero como ya habíamos anticipado, el problema de enfriamiento provoca que la mayor parte de la calculadora de tres metros lo ocupa el sistema de refrigeración.

Por otro lado, en mayo se presentó la primera máquina computacional cuántica del mundo que va mucho más allá de las mejores computadoras clásicas o convencionales, fabricada por investigadores de la Universidad de Zhejiang y la Universidad de Ciencia y Tecnología de China. También IBM ha anunciado que antes del fin de 2017 tendrá un servicio de computación cuántica en la nube. Aunque no pretende ser mejor que un ordenador personal, la importancia es que se tratará del primer ordenador de computación cuántica con acceso remoto: cualquiera podrá utilizarlo desde su casa.

Los avances recientes

En los últimos tiempos, son muchas las informaciones sobre logros concretos que podrían aplicarse a la computación cuántica. Estos son algunos de los más destacados:

Un nuevo cúbit. Ingenieros de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNWS, Australia) han presentado un diseño nuevo de esta unidad de información basado en un sistema flip-flop (algo así como basculante), que promete, en un futuro, simplificar y abaratar la producción a gran escala de chips cuánticos. La ventaja que supone este diseño es que funciona sin que sea necesario colocar los átomos en una posición muy estricta, como ocurre con otros chips: permite que estos estén entrelazados a distancias de hasta cientos de nanómetros. El siguiente vídeo elaborado por la universidad australiana explica el proceso.

Iones radiactivos de bario. Uno de los tipos más populares de cúbits en prototipos de computadoras cuánticas son los iones de metales, retenidos en una trampa especial de iones con ayuda del enfriamiento láser. Sin embargo, la longitud de onda del láser requerida para el retenimiento conduce a la disminución de la eficiencia de dicho bit cuántico. Para resolver este problema, los físicos estadounidenses propusieron usar isótopo radiactivo de bario, ya que se demostró que los iones de los isótopos inestables de este elemento se pueden utilizar como cúbits en los ordenadores cuánticos. Lo más probable es que se deba al enfriamiento láser utilizando radiación en la región visible. Aseguran sus autores que la nueva técnica ayudará a crear computadoras cuánticas más eficientes.

Una memoria cuántica que cabe en un chip. Hasta ahora, los dispositivos de memoria cuántica han sido demasiado grandes para ponerse en un chip, un requisito indispensable para las aplicaciones prácticas. Ahora, investigadores del Instituto Tecnológico de California (Caltech, EE.UU.) y la Universidad de Verona (Italia) han construido un dispositivo de memoria cuántica aproximadamente 1.000 veces más pequeño que los aparatos similares actuales, tan minúsculo que puede, por fin, ser instalado en un chip. El dispositivo tiene un área de aproximadamente 10 por 0,7 micrómetros.

Comunicación bajo el agua: además de la mejora en informática, la comunicación cuántica es la encriptación definitiva.  A través de ese mecanismo, los científicos ya hanteletransportado información a través de grandes distancias mediante fibra óptica, e incluso desde el espacio exterior: a principios de este año, un equipo de investigadores chinos fue capaz de usar este fenómeno para teletransportar información a un satélite en órbita terrestre a través de más de 500 km. Ahora, científicos chinos han enviado con éxito información entre partículas enlazadas a través de agua de mar, siendo la primera vez que este tipo de comunicación cuántica se ha logrado bajo el agua.  Los investigadores predicen que deberían ser capaces de usar la misma técnica para enviar comunicaciones estables a 900 metros a través de aguas abiertas, donde la aplicación más obvia sería un submarino que quiera permanecer sumergido pero que se comunique de una manera segura.

Otros ordenadores cuánticos

Por si la computación cuántica no fuera ya suficientemente complicada, el rizo puede rizarse aún más. Además de los dos tipos de ordenadores cuánticos que hemos nombrado, que en última instancia se basan en el mismo principio, existen otras teorías sobre esta ciencia. Estos son dos ejemplos de los que hemos hablado recientemente.

Una red de ordenadores. Quizá la idea más eficiente de ordenador cuántico no sea la de una gran computadora, sino la unión de muchas. Al menos esto opinan los investigadores de de Sandia National Laboratories (EE.UU.) que han creado un puente para conectarlas. La interconexión ampliaría las posibilidades de la detección cuántica de estos ordenadores. Mediante la integración de dos átomos de silicio en una matriz de un átomo de diamante, investigadores han mostrado por primera vez, en un solo chip, todos los componentes necesarios para crear un puente cuántico para conectar computadoras cuánticas entre sí.

El ordenador cuántico topológico: este dispositivo aún no se ha puesto en marcha, pero los expertos prometen llevar la informática a una nueva dimensión (aunque usar esta expresión pueda resultar controvertido en este contexto). Se basan en los estados representados en las trenzas formadas partículas que se comporten como los fermiones de Majorana (que son a su vez la partícula y su antipartícula), una propiedad mucho más robusta que otras propiedades cuánticas tales como el espín de un electrón, dicen los expertos. En otras palabras, estas máquinas harían calculadoras mucho más sólidas, produciendo menos errores. El inconveniente es que este tipo de máquinas requerirían ambientes electromagnéticos bien controlados. Los autores afirman que no veremos en funcionamiento un ordenador cuántico topológico en un futuro cercano.

Beatriz de Vera
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