Computaci¨®n cu¨¢ntica, o un ordenador lleno de gatos (de Schr?dinger)

El gato de Schr?dinger es el gato m¨¢s famoso de la Historia de la Ciencia por una curiosa caracter¨ªstica: metido dentro de su caja puede estar vivo y muerto al mismo tiempo. No vivo o muerto, sino vivo y muerto a la vez. Su estado solo se determina cuando alguien abre la tapa y mira dentro. Entonces encontrar¨¢ al gato tieso o maullando.

Con esta met¨¢fora se pretende visibilizar una de las caracter¨ªsticas de la mec¨¢nica cu¨¢ntica: los objetos cu¨¢nticos, que viven en el mundo subat¨®mico (los gatos, por tanto, no lo son), pueden estar en varios estados a la vez. Por ejemplo, un electr¨®n puede estar en una superposici¨®n de dos estados de spin a la vez (grosso modo, como si rotase en ambos sentidos al mismo tiempo). S¨ª, es dif¨ªcil de entender para la mente humana.

"Bas¨¢ndose en caracter¨ªsticas de la naturaleza del mundo microsc¨®pico como esta, la computaci¨®n cu¨¢ntica (CC) pretende hacer c¨¢lculos y fabricar ordenadores m¨¢s r¨¢pidos y eficientes", dice Francisco G¨¢lvez experto de larga trayectoria en IBM dedicado a la difusi¨®n de la CC que ahora afronta otros proyectos.

• ?C¨®mo se computa?

Antes de entender la computaci¨®n cu¨¢ntica es preciso entender la computaci¨®n cl¨¢sica. Los ordenadores normales, como los que usamos usted y yo, funcionan a base de los d¨ªgitos 0 y 1 (de ah¨ª el popular t¨¦rmino digital). Estos 0 y 1 abstractos, llamados bits, en el mundo f¨ªsico se encarnan en peque?as corrientes el¨¦ctricas que representan el 0 y el 1 y cuyos interruptores son unos ingenios llamados transistores, fundamentales para la tecnolog¨ªa. En un chip de silicio hay miles de millones de transistores diminutos. Con esas diminutas corrientes el¨¦ctricas se hacen millones de operaciones matem¨¢ticas por segundo (de ah¨ª los gigahertzios de los procesadores). Cuando usted juega a un videojuego o escribe en un procesador de texto o pierde el tiempo en una red social, lo que hay detr¨¢s, en el fondo, son estos millones y millones de operaciones matem¨¢ticas ultrarr¨¢pidas. He aqu¨ª el prodigio de la inform¨¢tica.

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Se puede trazar alguna analog¨ªa entre la historia de la computaci¨®n cl¨¢sica y la cu¨¢ntica. "Este es un momento dulce para la CC", dice Miguel ?ngel Mart¨ªn-Delgado, catedr¨¢tico de F¨ªsica Te¨®rica de la Universidad Complutense de Madrid (UCM). "Es como si estuvi¨¦ramos en el garaje con Steve Jobs, no se daban cuenta de que se estaba produciendo una revoluci¨®n con ese tipo ordenadores de garaje. En ese momento de ebullici¨®n estamos ahora con los ordenadores cu¨¢nticos".

• Los qubits

La novedad con la computaci¨®n cu¨¢ntica es que, en vez de usar transistores que puedan generar estados 0 o 1, utiliza los llamados qubits (bits cu¨¢nticos), que no solo est¨¢n en 0 o 1 sino en una superposici¨®n de ambos estados, como el gato de Schr?dinger, muerto y vivo a la vez. Esta superposici¨®n de estados posibilita una capacidad de computaci¨®n exponencialmente mayor, ordenadores m¨¢s r¨¢pidos y eficientes. Eso s¨ª, mientas nadie ¡°mire¡± a los qubits, mientas nadie abra la caja del gato.

Para realizar los qubits f¨ªsicamente se utilizan ciertos dispositivos, igual que los ordenadores cl¨¢sicos han usado rel¨¦s, bombas de vac¨ªo y, ahora, millones de peque?os transistores. La base palpable de un ordenador cu¨¢ntico puede ser de varios tipos. Por ejemplo, las trampas de iones, que toman ¨¢tomos a los que le faltan uno o varios electrones (los iones) y los hacen interaccionar con l¨¢seres, o los anillos superconductores a temperaturas cercanas al cero absoluto. Esta ¨²ltima es la tecnolog¨ªa m¨¢s utilizada en la actualidad. Cualquiera de estos ingenios puede simular un qubit en superposici¨®n de varios estados.

La Ley de Moore sobre el crecimiento?? exponencial de la computaci¨®n llega a su fin al alcanzarse los l¨ªmites de la naturaleza¡±

La ventaja de los qubits es que, gracias a propiedades como la superposici¨®n y el entrelazamiento cu¨¢ntico (cuando se opera con dos o m¨¢s de ellos), pueden realizar muchas m¨¢s operaciones al mismo tiempo que los bits cl¨¢sicos. Y ese n¨²mero de operaciones crece de manera exponencial (2 elevado a n) con el n¨²mero (n) de qubits. Con un qubit se pueden hacer dos operaciones a la vez. Con dos qubits, cuatro operaciones. Con 10 qubits, 1024 operaciones al mismo tiempo. Con 15 qubits, 32.768 operaciones... Con esta potencia de c¨¢lculo problemas antes considerados dif¨ªciles de procesar se hacen f¨¢cilmente resolubles.

Las dificultades que aparecen en el camino hacia la computaci¨®n cu¨¢ntica no son f¨¢ciles de sortear. Las principales tienen que ver con la sensibilidad de los qubits a las perturbaciones y al ruido. ¡°Son el problema de la decoherencia, que es la destrucci¨®n de los estados cu¨¢nticos por interacci¨®n con el entorno, y el de la precisi¨®n: ahora mismo la precisi¨®n de un ordenador cu¨¢ntico puede ser de un 99,3%¡±, dice Juan Jos¨¦ Garc¨ªa Ripoll, investigador del Instituto de F¨ªsica Fundamental del Consejo Superior de Investigaciones Cient¨ªficas (CSIC).

¡°Nobody is perfect¡±, dice el catedr¨¢tico Mart¨ªn-Delgado, parte de cuyo trabajo en el Grupo de Informaci¨®n y Computaci¨®n Cu¨¢nticas de la UCM consiste en acabar con los errores de los ordenadores cu¨¢nticos. ¡°Estos errores tienen su fuente en el ambiente, los qubits se acoplan al exterior, a campos magn¨¦ticos o el¨¦ctricos, a efectos t¨¦rmicos. Luego cuando quieres hacer una operaci¨®n l¨®gica no sale perfecta¡±, explica. El ambiente act¨²a como el observador del gato Schr?dinger, destruye la superposici¨®n de estados cu¨¢nticos. Los qubits prefieren trabajar aislados, lejos de la mirada del mundo: de otra manera se ponen en huelga. Adem¨¢s, cuantos m¨¢s qubits hay en un ordenador, m¨¢s f¨¢cilmente puede producirse la decoherencia, cada vez es m¨¢s dif¨ªcil hacerlos trabajar juntos sin romper el delicado ¡°silencio¡± que necesitan.

• ?Para qu¨¦ sirve?

?Para qu¨¦ servir¨ªa (o sirve) la computaci¨®n cu¨¢ntica? Por el momento es de utilidad en criptograf¨ªa y se puede usar para c¨¢lculos qu¨ªmicos, dise?os de nuevos materiales o para buscar con rapidez en grandes bases de datos no indexadas. Puede ayudar al machine learning y al desarrollo de la inteligencia artificial. No conocemos todo su potencial: al comienzo de la inform¨¢tica cl¨¢sica, cuando el ordenador ENIAC ocupaba una habitaci¨®n entera, solo se utilizaba para complejos c¨¢lculos de bal¨ªstica militar u otros grandes c¨¢lculos industriales y nadie si imaginaba el sin fin de aplicaciones que la inform¨¢tica llegar¨ªa a ofrecer al ciudadano de a pie. O que cada ciudadano tendr¨ªa un smartphone en su mano como una prolongaci¨®n de su cuerpo.

"La computaci¨®n cu¨¢ntica lleva unos veinte a?os cocin¨¢ndose", explica Ignacio Cirac, el investigador espa?ol del Instituto Max Plack. La investigaci¨®n se inici¨® en las universidades y centros de investigaci¨®n: en ellos se consigui¨® construir los primeros prototipos, que han ido evolucionando hasta llegar a los 10 qubits). "Lo que ha cambiado hace un par de a?os", contin¨²a Cirac, "es que grandes empresas tecnol¨®gicas han anunciado que van a dedicar grandes esfuerzos a construir ordenadores cu¨¢nticos m¨¢s potentes". Google, IBM, Intel o Microsoft entre otras, invierten ahora no pocos esfuerzos y compiten por desarrollar esta tecnolog¨ªa.

Por el momento han construido prototipos mayores (de hasta m¨¢s de 50 qubits), todav¨ªa imperfectos. Por tanto, en palabras de Cirac, "los retos que se presentan son: primero, mejorar los prototipos actuales para que tengan menos errores; segundo, desarrollar aplicaciones para estos prototipos; y tercero, a mucho m¨¢s largo plazo, construir ordenadores mucho mayores (de millones de qubits) en donde no se produzcan errores (o se puedan corregir)¡±.

Existen varios tipos de ordenadores cu¨¢nticos. "Algunos, llamados optimizadores, resuelven solo problemas de optimizaci¨®n", dice Garc¨ªa Ripoll. Por ejemplo, en el optimizador D-wave (tambi¨¦n llamado computador adiab¨¢tico) "se reformula el problema como la energ¨ªa de un sistema f¨ªsico y se buscan sus m¨ªnimos, arrojando as¨ª soluciones al problema", dice el cient¨ªfico. As¨ª, la empresa Volkswagen ya trabaja con D-Wave para optimizar rutas de coches en lugares como Beijing y luchar contra los atascos.

Luego est¨¢n los ordenadores propiamente dichos, porque pueden ser programados para resolver cualquier problema. Como la m¨¢quina que imagin¨® Alan Turing y que define lo que es un ordenador. Son los que tratan de desarrollar las grandes empresas antes citadas.

• ?Qui¨¦n vencer¨¢?

El t¨¦rmino supremac¨ªa cu¨¢ntica es rechazado por muchos cient¨ªficos por sus feas connotaciones, y tratan de cambiarlo por uno m¨¢s amable y preciso: la ventaja cu¨¢ntica. Esta se dar¨¢ cuando un ordenador cu¨¢ntico consiga resolver el mismo problema que un ordenador cl¨¢sico (uno de los potentes supercomputadores) en un tiempo menor. El momento, seg¨²n conf¨ªan los expertos, est¨¢ cerca. En Google aseguran tenerlo al alcance de los dedos con su procesador cu¨¢ntico Bristlecone. Tal hecho significar¨¢ un punto de inflexi¨®n en la historia de la tecnolog¨ªa.

La CC, adem¨¢s, es un paso necesario para el progreso tecnol¨®gico: la miniaturizaci¨®n est¨¢ llegando a su fin, porque los transistores de los ordenadores cl¨¢sicos ya son demasiado peque?os: Intel ya los construye de solo 10 nan¨®metros. Es un ingenio muy peque?o: un ¨¢tomo mide algo menos de un nan¨®metro. Y no se puede construir un transistor m¨¢s peque?o que un ¨¢tomo, que es el ladrillo del que est¨¢n hechas las cosas. El l¨ªmite est¨¢ cerca. ¡°Adem¨¢s, a esas escalas nanom¨¦tricas pueden aparecen efectos cu¨¢nticos no deseados que hagan fallar el funcionamiento de los chips¡±, confirma el catedr¨¢tico Mart¨ªn-Delgado. La famosa Ley (emp¨ªrica) de Moore, que dice que la potencia de los ordenadores crece de forma exponencial, dobl¨¢ndose cada 18 meses, llega a su fin por darse con los propios l¨ªmites que pone la naturaleza. El camino natural a seguir es el de la computaci¨®n cu¨¢ntica.

?Significar¨¢ la llegada de los ordenadores cu¨¢nticos la desaparici¨®n de los computadores cl¨¢sicos? ¡°No¡±, explica Mart¨ªn-Delgado, ¡°en realidad ambos tipos de computaci¨®n siempre van a convivir. Para tratar los datos que arroje un ordenador cu¨¢ntico siempre ser¨¢ necesario un computador cl¨¢sico. Tampoco va a acabar con la creatividad humana: cuando obtienes un dato tendr¨¢s que seguir pensando para ver qu¨¦ es lo que has obtenido¡±.