Computaci¨®n cu¨¢ntica: un salto tan grande como el que hubo entre el ¨¢baco y la inform¨¢tica actual
Los pr¨®ximos ordenadores solucionar¨¢n en segundos problemas que las m¨¢quinas convencionales m¨¢s potentes tardar¨ªan miles de a?os en resolver
Si el siglo XIX fue la era de la m¨¢quina y el siglo XX la de la informaci¨®n, el siglo XXI ser¨¢ la era cu¨¢ntica. No es una hip¨¦rbole. William Daniel Phillips, premio Nobel de F¨ªsica en 1997, opina que la computaci¨®n cu¨¢ntica supone un salto tecnol¨®gico sin comparaci¨®n a los que hemos vivido hasta ahora, m¨¢s grande incluso que el existente entre el ¨¢baco y la inform¨¢tica actual.
La mec¨¢nica cu¨¢ntica surge a principios del siglo pasado como el campo de la f¨ªsica que describe el comport...
Si el siglo XIX fue la era de la m¨¢quina y el siglo XX la de la informaci¨®n, el siglo XXI ser¨¢ la era cu¨¢ntica. No es una hip¨¦rbole. William Daniel Phillips, premio Nobel de F¨ªsica en 1997, opina que la computaci¨®n cu¨¢ntica supone un salto tecnol¨®gico sin comparaci¨®n a los que hemos vivido hasta ahora, m¨¢s grande incluso que el existente entre el ¨¢baco y la inform¨¢tica actual.
La mec¨¢nica cu¨¢ntica surge a principios del siglo pasado como el campo de la f¨ªsica que describe el comportamiento de la naturaleza a niveles subat¨®micos (por ejemplo, de part¨ªculas como fotones o electrones), para el que la mec¨¢nica cl¨¢sica no encontraba una soluci¨®n satisfactoria. Posteriormente, a principios de los ochenta, el f¨ªsico estadounidense Richard Feynman plante¨® la construcci¨®n de un ordenador cuyos estados internos fueran variables cu¨¢nticas. Este premio Nobel, junto con el tambi¨¦n estadounidense Paul Benioff y el matem¨¢tico ruso Yuri Manin sentaron las bases de esta nueva computaci¨®n, empezando as¨ª la segunda revoluci¨®n cu¨¢ntica. Esta atrajo el inter¨¦s de las agencias de seguridad de varios gobiernos, cuando el f¨ªsico estadounidense Charles Bennett y el canadiense Gilles Brassard propusieron el primer protocolo de criptograf¨ªa cu¨¢ntica y el matem¨¢tico estadounidense Peter Shor un algoritmo que reduce dr¨¢sticamente el tiempo de ejecuci¨®n de la factorizaci¨®n de n¨²meros, una de las bases de la criptograf¨ªa actual.
Igual que la inform¨¢tica cl¨¢sica se basa en el concepto de bit (que puede tomar el valor 0 o 1), en la inform¨¢tica cu¨¢ntica el c¨²bit (del ingl¨¦s qubit, quantum bit), es la unidad m¨ªnima de informaci¨®n. A diferencia del bit, que solo puede estar en uno de esos dos estados, el c¨²bit puede encontrarse simult¨¢neamente en los estados 0 y 1. Es como si pas¨¢ramos de un interruptor de la luz que la apaga o la enciende, a uno que nos deja tener muchos estados intermedios. As¨ª con 10 c¨²bits tendr¨ªamos 1.024 estados simult¨¢neos y, cada vez que a?adimos un c¨²bit, duplicamos la potencia de c¨¢lculo.
Hay que tener en cuenta que generar y manejar los c¨²bits es un enorme desaf¨ªo cient¨ªfico y de ingenier¨ªa, ya que hay que evitar que los c¨²bits interact¨²en con el entorno hasta que sean medidos, para lo que, en algunos casos, se enfr¨ªan los circuitos a temperaturas m¨¢s bajas que la del espacio profundo (cercanas al cero absoluto, -273 grados cent¨ªgrados). A pesar de ello, en la actualidad los ordenadores cu¨¢nticos presentan todav¨ªa muchos errores, ya que se pierde la coherencia de los valores de los c¨²bits.
Existen dos formas de trabajar con ordenadores cu¨¢nticos. Una es la basada en el llamado temple cu¨¢ntico (quantum annealing) ¨Dempleada por la compa?¨ªa D-Wave¨D en los que el problema a resolver se hace corresponder con un modelo cuya soluci¨®n es el estado de energ¨ªa m¨¢s bajo del sistema y que son adecuados para ejecutar problemas de optimizaci¨®n. La otra es la de ordenadores que soportan la computaci¨®n cu¨¢ntica basada en puertas ¨Dempleada por IBM, Google o Rigetti¨D, en la que un problema se descompone en una secuencia de operaciones b¨¢sicas primitivas, que se realizan mediante puertas cu¨¢nticas. Hay que tener en cuenta que los ordenadores cu¨¢nticos no sustituyen a los actuales, sino que conviven en arquitecturas h¨ªbridas en las que un ordenador cl¨¢sico env¨ªa al ordenador cu¨¢ntico las instrucciones oportunas, recogiendo y procesando los resultados que este le devuelve.
Los ordenadores cu¨¢nticos no solo permiten simular mucho mejor la naturaleza, sino tambi¨¦n ejecutar algoritmos que para los ordenadores ¡°cl¨¢sicos¡± son impracticables, ya que tardar¨ªan demasiado tiempo ¨Den algunos casos, incluso el mayor supercomputador del mundo, varios millones de a?os¨D o necesitar¨ªan una memoria casi infinita. De hecho, en 2019 Google anunci¨® la ¡°supremac¨ªa cu¨¢ntica¡± con un experimento dise?ado por el espa?ol Sergio Boixo: un ordenador cu¨¢ntico logr¨® hacer en unos minutos algo que a un superordenador convencional le llevar¨ªa miles de a?os.
Existen cientos de aplicaciones interesantes para este nuevo tipo de inform¨¢tica en campos como la econom¨ªa y servicios financieros, qu¨ªmica, medicina y salud, log¨ªstica y cadena de suministro, energ¨ªa y agricultura. Y, por supuesto, la inform¨¢tica cu¨¢ntica impacta de modo fundamental en la ciberseguridad y en la Inteligencia Artificial. Ello ha impulsado a muchos gobiernos (EE UU, la Uni¨®n Europea, Pa¨ªses Bajos, Francia o Alemania) a incluir las tecnolog¨ªas cu¨¢nticas en sus agendas y ecosistemas de investigaci¨®n.
Con el fin de contribuir a que la inform¨¢tica cu¨¢ntica sea una realidad, un conjunto de investigadores y profesionales de la inform¨¢tica [entre los que se incluye el firmante de este art¨ªculo] propuso en el Manifiesto sobre la Ingenier¨ªa y la Programaci¨®n del Software Cu¨¢ntico, la implicaci¨®n de todos: las empresas y los profesionales, identificando los proyectos que puedan beneficiarse de esta tecnolog¨ªa; los cient¨ªficos, intentando resolver las cuestiones pendientes; los gobiernos apoyando la investigaci¨®n y transferencia, y los acad¨¦micos, considerando la inform¨¢tica cu¨¢ntica en los curr¨ªculos y planes de estudio. La computaci¨®n cu¨¢ntica ofrece la oportunidad de experimentar lo mismo que los pioneros de la inform¨¢tica en los a?os sesenta del siglo pasado y ser protagonistas de esta nueva era.
Mario Piattini Velthuis. Catedr¨¢tico de Lenguajes y Sistemas Inform¨¢ticos de la Universidad de Castilla-La Mancha
Cr¨®nicas del Intangible es un espacio de divulgaci¨®n sobre las ciencias de la computaci¨®n, coordinado por la sociedad acad¨¦mica SISTEDES (Sociedad de Ingenier¨ªa de Software y de Tecnolog¨ªas de Desarrollo de Software). El intangible es la parte no material de los sistemas inform¨¢ticos (es decir, el software), y aqu¨ª se relatan su historia y su devenir. Los autores son profesores de las universidades espa?olas, coordinados por Ricardo Pe?a Mar¨ª (catedr¨¢tico de la Universidad Complutense de Madrid) y Macario Polo Usaola (profesor titular de la Universidad de Castilla-La Mancha).
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