1. Las computadoras modernas se acercan a su límite
Desde las computadoras personales que usamos todos los días hasta la supercomputadora más rápida del mundo “Fugaku”, todas las computadoras clásicas procesan la información en unidades llamadas “bits (Bit)”. Un bit solo puede tener uno de dos estados: el interruptor está “encendido (1)” o “apagado (0)”. Incluso los cálculos complejos y las imágenes gigantescas se procesan secuencialmente como una “lista masiva de 0 y 1”.
Sin embargo, en la era actual en la que la miniaturización de los semiconductores se acerca al tamaño atómico, la “Ley de Moore (mejora del rendimiento de los semiconductores)” se enfrenta a límites físicos (como la fuga de corriente debido al efecto túnel cuántico). Para superar este límite, el enfoque de realizar cálculos utilizando leyes de la física completamente diferentes es la “computadora cuántica”.
2. La magia de la mecánica cuántica: “Superposición”
La unidad más pequeña de una computadora cuántica no se llama “bit”, sino “cúbit (Qubit: bit cuántico)”. La mayor característica de los cúbits es que utilizan una propiedad de la mecánica cuántica llamada “superposición (Superposition)”.
Mientras que un bit clásico está determinado como “0” o “1”, un cúbit puede mantener simultáneamente un estado ambiguo de “ser 0 y también ser 1” (superposición probabilística).
- Una computadora clásica de 2 bits solo puede representar una de las “00, 01, 10, 11” a la vez.
- Sin embargo, utilizando 2 cúbits, se pueden mantener estos 4 estados simultáneamente.
Si esto se convierte en 300 cúbits, se podrán calcular simultáneamente e instantáneamente más estados (2 a la potencia de 300) que el número de átomos en el universo. Aquí reside la fuente del abrumador poder de cálculo (paralelismo cuántico) de las computadoras cuánticas.
3. El “Entrelazamiento cuántico” que desconcertó incluso a Einstein
Otro fenómeno cuántico importante es el “entrelazamiento cuántico (Entanglement)”. Este es un fenómeno espeluznante en el que dos cúbits están conectados por un fuerte vínculo, y sin importar cuán separados estén, “cuando el estado de uno es observado y determinado, el estado del otro también se determina instantáneamente”.
En una computadora cuántica, este “entrelazamiento cuántico” se utiliza para coordinar múltiples cúbits y ejecutar complejos algoritmos de cálculo (interferencia). Al realizar la “observación” al final del cálculo, las respuestas innecesarias (ondas de probabilidad) se cancelan mutuamente, y solo se amplifica y emite la probabilidad de la respuesta correcta.
4. ¿En qué destacan las computadoras cuánticas?
Las computadoras cuánticas no son cajas mágicas universales. Las computadoras actuales son mucho mejores en tareas cotidianas como navegar por internet o editar videos. En lo que las computadoras cuánticas destacan es en los “problemas que buscan la respuesta óptima entre una gran cantidad de combinaciones”.
Campos esperados
- Desarrollo de nuevos medicamentos y materiales: Dado que las moléculas y las reacciones químicas en sí mismas se comportan de manera mecánico-cuántica, las simulaciones de medicamentos se pueden realizar de manera extremadamente precisa y a alta velocidad.
- Problemas de optimización: Se espera que resuelvan instantáneamente problemas con demasiadas variables que incluso las supercomputadoras no pueden calcular, como “la ruta de entrega más eficiente para miles de camiones” o “la cartera óptima de productos financieros”.
El colapso de la criptografía moderna (Algoritmo de Shor)
Actualmente, la “criptografía RSA” que protege las comunicaciones de internet (como HTTPS) garantiza la seguridad bajo la premisa de que “incluso a una supercomputadora le llevaría decenas de miles de años factorizar números gigantes”. Sin embargo, se ha demostrado matemáticamente que si se utiliza el “algoritmo de Shor” para computadoras cuánticas, esto podría descifrarse en unas pocas horas o segundos. Por lo tanto, actualmente en todo el mundo hay una prisa por la transición a la “Criptografía Post-Cuántica (PQC)”.
5. La supremacía cuántica y los desafíos actuales
En 2019, Google anunció que su computadora cuántica “Sycamore” resolvió en solo 200 segundos un cálculo que le habría llevado 10,000 años a la supercomputadora más rápida del mundo, declarando que habían demostrado la “supremacía cuántica (Quantum Supremacy)”.
Sin embargo, todavía existen grandes barreras para su uso práctico. Esa barrera es el “ruido (errores)”. El estado de “superposición” de los cúbits es extremadamente delicado y se destruye fácilmente con la menor influencia de calor o campos magnéticos. Por lo tanto, se requiere un equipo masivo para enfriarlos a temperaturas criogénicas cercanas al cero absoluto (menos 273 grados). Actualmente, la corriente principal son las computadoras cuánticas de escala intermedia ruidosa (NISQ), y se dice que aún tomará más de 10 años completar una verdadera “computadora cuántica tolerante a fallos” que pueda autocorregir errores.
6. Conclusión
Las computadoras cuánticas son el gran desafío de la humanidad para aplicar de manera práctica como ingeniería las teorías de la mecánica cuántica construidas por gigantes de la física como Einstein y Schrödinger. Al igual que las computadoras personales dieron origen al internet y los teléfonos inteligentes a las redes sociales, no hay duda de que cuando se comercialicen las computadoras cuánticas nacerán tecnologías del futuro completamente nuevas que ni siquiera podemos imaginar.