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Circuito de un ordenador con ceros y unos

La computación cuántica: el futuro de la informática

La revolución de la tecnología

Planteada hace ya más de 40 años de forma teórica, en los últimos años ha avanzado de forma exponencial: empresas y universidades han desarrollado procesadores, computadoras, lenguajes de programación y algoritmos que ya cambian nuestra forma de trabajar.

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¿Qué es la computación cuántica?

Los computadores cuánticos nos abrirán nuevas posibilidades. Este cambio de tecnología explota las leyes de la mecánica cuántica para codificar la información (en forma de bits cuánticos o qubits) y procesarla de manera diferente a como se hace con los ordenadores actuales.

Con aplicaciones como la IA, el desarrollo de moléculas, la simulación y optimización de procesos o la ciberseguridad, la computación cuántica se perfila como una tecnología que transformará lo que podemos hacer con ordenadores.

La informática cuántica, gracias a los principios de la mecánica cuántica, hace posible afrontar y resolver problemas que, hasta ahora, eran intratables y está destinada a transformar los campos de las matemáticas, la investigación o la ciberseguridad.

Seguro que alguna vez, aunque haya sido en fotografía, has visto alguna calculadora mecánica, de esas que sólo sumaban y funcionaban sin electricidad. Pensemos en ellas como ordenadores súper simples. Las calculadoras mecánicas, con el uso de la electricidad, mejoraron su eficiencia (hacían los cálculos moviendo ruedas y engranajes parecidos, pero más rápidamente) y ganaron alguna funcionalidad como la posibilidad de multiplicación. Con la llegada de los ordenadores electrónicos se dio un salto de paradigma. La parte más interna de los ordenadores que usamos sigue siendo básicamente una máquina de calcular que suma muy rápido, pero está claro que hacerlo de forma diferente nos ha llevó a una “revolución informática” que transformó el mundo como lo conocíamos. Con la computación cuántica se da una situación similar.

Es importante tener claro que la computación cuántica no reemplazará a la actual en todos sus aspectos, de hecho, los ordenadores cuánticos necesitan de ordenadores “clásicos” para poder funcionar y producir resultados. Sin embargo, la computación cuántica será complementaria en todos aquellos casos donde realmente aporte una ventaja sustancial (a veces llamada ventaja cuántica).

Historia de la computación cuántica

Las primeras aportaciones sobre la computación cuántica se atribuyen a los físicos Paul Benioff y Richard Feynman, a principios de la década de 1980. Fueron los pioneros en plantear la idea de aplicar algunos de los principios de la mecánica cuántica a la computación. Aunque habría que que esperar 30 años hasta la creación de la primera computadora cuántica, Benioff diseñó en 1981 la primera computadora cuántica, basándose en la máquina de Turing.  

Después de más de 15 años de progresos teóricos, en 1998 investigadores del MIT consiguieron propagar el primer cúbit y crear el primer ordenador cuántico, de dos cúbits. En 2011, la compañía D-Wave Systems vendió la primera computadora cuántica comercial, y a finales de 2022 IBM presentó Osprey, un procesador cuántico de 433 cúbits.

Año 1981

Se diseña la primera computadora cuántica.

Año 1998

Se crea el primer ordenador cuántico.

Año 2011

Se vende la primera computadora cuántica comercial.

Año 2022

Se presenta un procesador cuántico de 433 cúbits.

¿Qué es un qubit en computación cuántica?

Un qubit (bit cuántico) es la unidad básica de información cuántica, y se diferencia del bit tradicional en que no está limitado a ser solo "0" o "1". Gracias a una propiedad conocida como superposición, un qubit puede estar en ambos estados, "0" y "1", al mismo tiempo y en distintas proporciones. Esta capacidad de estar en múltiples estados simultáneamente permite que los ordenadores cuánticos procesen información a una velocidad exponencialmente mayor que los ordenadores clásicos, realizando cálculos complejos de forma mucho más eficiente. Por ejemplo, un ordenador cuántico con solo 30 qubits puede realizar una cantidad de operaciones muy superior a la de las máquinas más potentes actuales.

Diferencias con la computación tradicional

Vista de un icono de bits como concepto de computación cuántica

La computación binaria y la informática cuántica utilizan dos paradigmas distintos. La informática clásica (binaria) es básicamente una calculadora muy sofisticada que realiza operaciones aritméticas (sumas, restas…) y lógicas (OR, AND, NOT) sobre los datos (bits), de forma secuencial. 

La computación cuántica se basa en un paradigma donde la estadística y la probabilidad son las herramientas básicas para la realización de los cálculos. Por ese motivo, la búsqueda de soluciones a problemas de optimización, que con ordenadores clásicos pueden ser muy costosas de encontrar, con computadoras cuánticos son más eficientes.

Por desgracia, los computadores cuánticos actuales son muy sensibles a condiciones de temperatura e interferencias de todo tipo, por lo que sólo se pueden tener en condiciones muy específicas.

Características de la computación cuántica 

Una computadora cuántica se basa en principios cuánticos fundamentales, como la superposición, el entrelazamiento y la decoherencia, que difieren de las reglas clásicas de la computación.

  • Superposición

La superposición es una característica clave de los sistemas cuánticos que permite que los qubits existan en múltiples estados al mismo tiempo. Este paralelismo inherente permite que una computadora cuántica realice muchas operaciones simultáneamente, lo que la hace extremadamente poderosa para ciertos tipos de cálculos.

  • Entrelazamiento

El entrelazamiento cuántico es cuando dos qubits están tan estrechamente conectados que el estado de uno puede predecirse instantáneamente observando el otro. Esto significa que, si un qubit entrelazado está en un estado, su compañero estará en el estado opuesto. Esta propiedad permite que las computadoras cuánticas manejen información y resuelvan problemas complejos con una mayor eficiencia. 

  • Decoherencia

La decoherencia es la tendencia de los qubits a perder su estado cuántico debido a la interferencia del entorno, como la radiación. Este es uno de los principales obstáculos en el desarrollo de computadoras cuánticas. El reto es diseñar sistemas que minimicen la decoherencia para mantener los qubits en sus estados cuánticos el mayor tiempo posible. 

En resumen, los principios de superposición y entrelazamiento permiten que las computadoras cuánticas procesen información de manera mucho más eficiente, mientras que la decoherencia representa un desafío técnico importante que los investigadores buscan superar para hacer estas computadoras viables a gran escala.

Usos y aplicaciones de la computación cuántica

La informática cuántica ha llegado para quedarse y, aunque está en una fase muy temprana e inmadura, lo cierto es que ya empieza a ofrecer ventajas aprovechables. La más significativa ha sido proporcionar una nueva forma de pensar. Mirar los problemas con otra perspectiva ya nos está llevando a encontrar cómo afrontar y resolver mejor algunos cálculos (con la computación inspirada en la cuántica o quantum inspired). 

Entre las aplicaciones de la computación cuántica se encuentran:

  1. Avances en la Inteligencia Artificial y el Machine Learning
    El machine learning es una de esas áreas especialmente interesantes para la computación cuántica, puesto que ambos se basan en procesos probabilísticos.

  2. Criptografía y ciberseguridad
    Gran parte de los algoritmos de encriptación que usamos a diario se basan en lo costoso que resulta una determinada operación matemática en los ordenadores clásicos (la factorización de números muy grandes), pero para las computadoras cuánticas es mucho más fácil y rápido. Esto ha hecho que nos estemos replanteando por completo la ciberseguridad en todos sus aspectos y que empresas como Google o Meta ya estén utilizando algunos algoritmos de PQC (post-quantum cryptography, criptografía post-cuántica) para estar más seguros frente a futuros ordenadores cuánticos.

  3. Diseño de materiales, moléculas y medicamentos
    Para diseñar o simular una molécula es necesario hacer muchos cálculos de todas las interacciones cuánticas que se producen en ella. Con un superordenador clásico apenas se pueden llegar a simular moléculas de unos pocos átomos. Con la computación cuántica la correlación es enorme y se podrán llegar a manejar moléculas muchísimo más complejas.

  4. Simulaciones
    Las simulaciones, especialmente aquellas que se pueden equiparar con procesos físicos o químicos, son grandes candidatas a ser procesadas con computación cuántica que, en esencia, tienden a comportarse como un sistema físico.

  5. Estudio del clima
    Otro campo relacionado con la física, en el que además es necesario el uso de una gran cantidad de datos, como es el del clima, también se verá beneficiado por la computación cuántica, que permitirá elaborar modelos que, por ejemplo, ayuden a estudiar los efectos del cambio climático.

  6. Inversión, logística y transporte
    Las áreas, en general, donde existen una gran cantidad de opciones en las que queremos saber cuál es la mejor (optimización) es otra de las áreas que se pueden ver enormemente mejorada explotando las particularidades de la mecánica cuántica a través de le computación cuántica.

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