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El nuevo paradigma que trae la computación cuántica

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Empresas como IBM o Google ya han desvelado los primeros ordenadores cuánticos de la historia. Esta innovación tecnológica representa un avance comparable al que supuso la llegada de los primeros ordenadores a mediados del siglo XX. 

Puede que el nombre nos mueva a pensar que se trata de otro avance más en la informática tradicional, pero lo cierto es que la computación cuántica es radicalmente distinta a la tecnología que utilizan nuestros ordenadores. Precisamente por ese motivo, tardará en llegar al entorno doméstico.

Sin embargo, eso no impide que la computación cuántica tenga una gran cantidad de aplicaciones que descubriremos pronto. En este artículo te contamos en qué consiste exactamente la computación cuántica, y qué usos se le darán en el futuro próximo.

¿Qué es la computación cuántica?

Para entender cómo funciona la computación cuántica y toda su información, es útil recordar primero el funcionamiento de la computación clásica. Un ordenador tradicional emplea un sistema binario, basado en el bit como unidad fundamental de información. Eso significa que todos los elementos del ordenador traducen el impulso eléctrico en 1, si el voltaje es alto, o 0 si es bajo o nulo. 

Este sistema permite representar números y realizar distintas operaciones lógicas con ellos. Sin embargo, tiene una limitación fundamental: los números no cambian por sí solos, sino que cada uno de ellos debe cambiarse deliberadamente mediante una operación matemática, que consume energía y tiempo. 

La computación cuántica introduce un salto cuantitativo muy importante: la unidad mínima es el cúbit, que puede tener un valor de 1, 0 o ambos a la vez en distintos porcentajes (por ejemplo, 1 al 60% y 0 al 40%). Ello permite una gran variedad de estados intermedios, que se logran a través de procesos como la superposición o el entrelazamiento. Lo que estos procesos permiten es realizar cálculos que están fuera del alcance de un ordenador clásico.

La ventaja principal que ofrecen los ordenadores cuánticos es la optimización en el procesamiento de datos. De hecho, la computación cuántica no reemplazará a los ordenadores clásicos, sino que se combinará con ellos en una estructura híbrida: el dispositivo informático tradicional puede enviar datos e instrucciones al ordenador cuántico, que procesa los datos a gran velocidad y los devuelve. 

Las aplicaciones de la programación cuántica son virtualmente infinitas. Disciplinas como la química, la medicina, la logística, la economía y la agricultura se beneficiarán del procesamiento y cálculo de datos complejos a gran velocidad. Sin duda, otro campo en el que cobrará vital importancia será la inteligencia artificial y la seguridad online: la potencia de un ordenador cuántico permitirá que los dispositivos tecnológicos analicen datos y reaccionen a ellos con una rapidez mucho mayor.

Origen de la computación cuántica

Aunque las primeras aplicaciones prácticas de computación cuántica son muy recientes, todas se basan en la física cuántica, cuya teoría se desarrolló a lo largo del siglo pasado. Albert Einstein y Max Planck observaron que la luz no se propaga en una onda continua, sino en varios conjuntos o cuantos distintos. Los posteriores estudios en mecánica cuántica revelaron que estas unidades se superponen, haciendo que varios estados físicos se superpongan a la vez.

Aunque la superposición permitió concebir un ordenador cuántico a mediados del siglo XX, surgió otro problema: la física cuántica demostraba que había estados intermedios, pero la informática clásica siempre los leería como bits. Utilizando el ejemplo anterior, un ordenador tradicional procesaría un cúbit de 1 al 60% y 0 al 40% y lo interpretaría como 1. 

Lo que permitió el desarrollo de la computación cuántica fue el entrelazamiento. Este proceso permitió el descubrimiento del algoritmo de Shor y el temple cuántico, que agilizan el cálculo de valores mínimos y los factores primos. Ello hace que el ordenador sea capaz de cifrar los estados intermedios y procesar datos a gran velocidad.

Diferencias entre la computación usual y la computación cuántica

Ya hemos explorado algunas diferencias entre la computación clásica y la cuántica: la unidad básica que utilizan, el lenguaje que se deriva de éstas y la velocidad de procesamiento. Estos factores derivan en diferencias radicales de aplicación: la informática cuántica es capaz de ejecutar algoritmos que un ordenador clásico tardaría miles de años en realizar, a no ser que tuviera una memoria ilimitada.

El funcionamiento radicalmente distinto de un ordenador cuántico también tiene como consecuencia diferencias en su construcción: el ordenador cuántico de IBM es un dispositivo conservado en vidrio y cubierto de cables, y no tiene dispositivos convencionales como pantallas o teclados. Hay dos motivos para ello: En primer lugar, de momento solo son capaces de procesar información, por lo que no necesitan una interfaz. Además, funcionan en unas condiciones muy estrictas: requieren una temperatura de -273 ºC y tienen componentes superconductores.

Avances y retos en computación cuántica

Teniendo en cuenta la dificultad de construcción y conservación de un ordenador cuántico, es evidente que la aplicación extendida de esta nueva tecnología se hará esperar unos cuantos años más. Sin embargo, ya ha habido ciertos avances significativos en computación cuántica: el primer ordenador cuántico se presentó en 1998, y el algoritmo de Shor se ejecutó por primera vez solo tres años más tarde.

A principios de este siglo, la empresa D-Wave estuvo a la cabeza del progreso en computación cuántica: en 2007 logró ejecutar el temple cuántico con 16 cúbits, y ese mismo año presentó un ordenador de 2000 cúbits. IBM ha presentado ya dispositivos capaces de ejecutar otros algoritmos, por lo que podemos esperar que se consigan nuevos hitos en los próximos años.

No obstante, antes de ello habrá que solucionar varios obstáculos a los que se enfrenta la computación cuántica hoy en día. Los ordenadores cuánticos tienen un tiempo de cálculo muy limitado, después del cual la información pierde precisión. Esto se debe a que los cúbits son muy inestables y conducen a errores de cálculo con facilidad. Además, la tecnología híbrida entre informática clásica y computación cuántica hace necesario desarrollar un algoritmo cuántico, antes del cual será difícil que los avances tecnológicos se apliquen en los dispositivos habituales. 

En resumen, parece que por el momento la computación cuántica solo estará al alcance de grandes empresas que necesiten hacer cálculos computacionalmente costosos. Por ejemplo, compañías como Google o Microsoft podrán utilizarlos para desarrollar el machine learning o reproducir procesos bioquímicos, y agencias de seguridad los utilizarán para descifrar códigos encriptados y aumentar la seguridad. Los usuarios de a pie tendremos que esperar para ver resultados en nuestros hogares, pero el crecimiento exponencial de la computación cuántica es, cuanto menos, muy prometedor.