De qu¨¦ manera la mec¨¢nica cu¨¢ntica cambiar¨¢ la inform¨¢tica

A principios de junio, Google anunci¨® que iba a ampliar los servicios inform¨¢ticos en la nube al alcance del mercado para incluir la computaci¨®n cu¨¢ntica, y desde mayo tenemos a disposici¨®n una oferta similar de IBM. Todav¨ªa no son servicios que la mayor¨ªa de la gente corriente tenga motivos para utilizar, pero hacer m¨¢s accesibles los ordenadores cu¨¢nticos ayudar¨¢ a los grupos de investigaci¨®n gubernamentales, acad¨¦micos y empresariales de todo el mundo a seguir con su estudio de las capacidades de la computaci¨®n cu¨¢ntica.

Para entender c¨®mo funcionan estos sistemas hay que explorar otro campo de las ciencias que la mayor¨ªa de la gente ya conoce. A partir de nuestra experiencia cotidiana, estamos familiarizados con lo que los f¨ªsicos denominan "mec¨¢nica cl¨¢sica", que gobierna la mayor parte del mundo que podemos ver con nuestros propios ojos, como lo que pasa cuando un coche choca contra un edificio, qu¨¦ trayectoria sigue una pelota al lanzarla, y por qu¨¦ cuesta tanto arrastrar una neverita por una playa de arena.

La mec¨¢nica cu¨¢ntica, en cambio, describe el universo subat¨®mico, es decir, el comportamiento de los protones, los electrones y los fotones. Las leyes de la mec¨¢nica cu¨¢ntica son muy diferentes de las de la mec¨¢nica cl¨¢sica y pueden tener resultados inesperados y contrarios a la intuici¨®n, como la idea de que un objeto pueda tener masa negativa.

En los grupos de investigaci¨®n gubernamentales, acad¨¦micos y empresariales de todo el mundo hay f¨ªsicos que siguen indagando las aplicaciones al mundo real de las tecnolog¨ªas basadas en la mec¨¢nica cu¨¢ntica. Por nuestra parte, los que nos dedicamos a las ciencias inform¨¢ticas tratamos de entender c¨®mo se pueden aplicar esas tecnolog¨ªas al avance de la inform¨¢tica y la criptograf¨ªa.

Breve introducci¨®n a la f¨ªsica cu¨¢ntica

En nuestra vida corriente, estamos acostumbrados a que las cosas existan en un estado definido. Por ejemplo, una bombilla est¨¢ encendida o apagada. Pero en el universo cu¨¢ntico, los objetos pueden existir en lo que se denomina una superposici¨®n de estados. A nivel at¨®mico, una hipot¨¦tica bombilla podr¨ªa estar apagada y encendida al mismo tiempo. Esta extra?a caracter¨ªstica tiene importantes repercusiones para la inform¨¢tica.

En la mec¨¢nica cl¨¢sica ?y por lo tanto, en los ordenadores cl¨¢sicos?, la unidad m¨ªnima de informaci¨®n es el bit, que puede tener dos valores: 1 o 0, pero nunca ambos a un tiempo. En consecuencia, cada bit solamente puede contener un dato. Estos bits, que se pueden representar como impulsos el¨¦ctricos, cambios en los campos magn¨¦ticos, o incluso como un interruptor f¨ªsico, constituyen la base del c¨®mputo, el almacenamiento y la comunicaci¨®n de los ordenadores y las redes inform¨¢ticas de nuestros d¨ªas.

Los qubits ?bits cu¨¢nticos? son el equivalente cu¨¢ntico de los bits cl¨¢sicos. Una diferencia fundamental es que, debido a la superposici¨®n, los qubits pueden tener al mismo tiempo valor 0 y valor 1. Por naturaleza, la implementaci¨®n f¨ªsica de estas unidades de informaci¨®n tiene que tener lugar a escala at¨®mica; por ejemplo, en la rotaci¨®n de un electr¨®n o en la polarizaci¨®n de un fot¨®n.

La computaci¨®n con qubits

Otra diferencia es que en los bits cl¨¢sicos es posible intervenir en uno con independencia de los dem¨¢s. La manipulaci¨®n de un bit en determinada ubicaci¨®n no tiene ning¨²n efecto sobre los bits que se encuentran en otra ubicaci¨®n diferente. En cambio, los qubits se pueden enlazar empleando una propiedad de la mec¨¢nica cu¨¢ntica denominada entrelazamiento, de manera que sean interdependientes inluso aunque est¨¦n muy lejos uno de otro. Esto significa que las operaciones que un ordenador cu¨¢ntico lleve a cabo en un qubit pueden afectar a muchos otros qubits al mismo tiempo. Esta caracter¨ªstica ?parecida, pero no igual, al procesamiento en paralelo? puede hacer que la computaci¨®n cu¨¢ntica sea mucho m¨¢s r¨¢pida que los sistemas cl¨¢sicos.

Construirlos es dif¨ªcil porque requiere que las operaciones y las mediciones se hagan a escala at¨®mica

Todav¨ªa no existen grandes ordenadores cu¨¢nticos ?es decir, con cientos de qubits?, y construirlos es dif¨ªcil porque requiere que las operaciones y las mediciones se hagan a escala at¨®mica. Por ejemplo, actualmente el ordenador cu¨¢ntico de IBM tiene 16 qubits, y Google ha prometido una computadora cu¨¢ntica de 49 qubits ?lo cual ser¨ªa un avance asombroso? para finales de a?o. (En comparaci¨®n, hoy en d¨ªa los ordenadores port¨¢tiles tienen varios gigabytes de memoria RAM. Un gigabyte equivale a ocho millones de bits cl¨¢sicos).

Una poderosa herramienta

A pesar de las dificultades para construir ordenadores cu¨¢nticos que funcionen, los te¨®ricos siguen explorando su potencial. En 1994, Peter Shor demostr¨® que los ordenadores cu¨¢nticos pod¨ªan resolver r¨¢pidamente los complejos problemas matem¨¢ticos que subyacen a todos los sistemas criptogr¨¢ficos de clave p¨²blica, como los que facilitan una conexi¨®n segura a los navegadores web. Un ordenador cu¨¢ntico a gran escala pondr¨ªa en peligro toda la seguridad en Internet tal como la conocemos. Los cript¨®grafos est¨¢n empe?ados en encontrar nuevos sistemas de clave p¨²blica resistentes a los ataques cu¨¢nticos, al menos por lo que ellos saben.

Una cuesti¨®n interesante es que las leyes de la mec¨¢nica cu¨¢ntica tambi¨¦n se pueden emplear para dise?ar sistemas m¨¢s seguros que sus equivalentes cl¨¢sicos en muchos sentidos. Por ejemplo, la distribuci¨®n cu¨¢ntica de claves permite que dos partes compartan un secreto con el que no podr¨¢ hacerse ning¨²n entrometido tanto si utiliza un ordenador cl¨¢sico como uno cu¨¢ntico. Es posible que en el futuro estos sistemas ?al igual que otros basados en los ordenadores cu¨¢nticos? lleguen a ser ¨²tiles, bien de manera general o en aplicaciones m¨¢s especializadas. En todo caso, un reto decisivo es conseguir que funcionen en el mundo real y a grandes distancias.

Jonathan Katz es director del Centro de Ciberseguridad de Maryland y catedr¨¢tico de Ciencias Inform¨¢ticas de la Universidad de Maryland.

Cla¨²sula de divulgaci¨®n:

Jonathan Katz recibe financiaci¨®n de diversos organismos gubernamentales, entre ellos la Fundaci¨®n Nacional para la Ciencia.

Este art¨ªculo fue publicado originalmente en ingl¨¦s en la web The Conversation.

Traducci¨®n de News Clips.