¿Qué es la computación cuántica?
La computación cuántica, teóricamente se trata de un ordenador que utiliza los qubits para realizar las operaciones en vez de los tradicionales bits de los ordenadores clásicos, lo cual le permite resolver problemas mucho más rápido, lo que a una computadora ordinaria le tomaría demasiado tiempo o hasta, incluso, podría ser incapaz de resolver.
Su origen tiene lugar en a principios del siglo XX, Planck y Einstein proponen que la luz no es una onda continua sino que está dividida en pequeños paquetes o cuantos. Esta idea, en apariencia simple, servía para resolver un problema llamado la «catástrofe ultravioleta». Pero a lo largo de los años otros físicos fueron desarrollándola, llegando a ciertas conclusiones como la superposición de estados y el entrelazamiento.Estos dos fenómenos serán explicados más adelante.(Marcos Allende López,2019)
La computación cuántica promete inaugurar una nueva era de computación, una en la que utilizando un enfoque aproximativo, podamos encontrar respuestas a problemas que actualmente los mayores centros de datos del mundo se ven incapaces de resolver. ¿De qué forma? ¿En qué principios se basa y qué hay de real en este planteamiento? ¿Qué limitaciones tiene y cómo se están intentando resolver los problemas que plantea? Estas son algunas de las preguntas que se plantea con la computación cuántica.
¿Qué es un qubit?
Un qubit o también llamado cubit es la unidad mínima de la información cuántica, mientras un bit (unidad de información clásica) entrega resultados binarios, es decir 0 y 1. El qubit entrega resultados al mismo tiempo gracias a las leyes de la cuántica, lo que permite más rapidez de procesamiento de datos.Más específicamente, los qubits son sistemas cuánticos de dos niveles,que al igual que los bits pueden estar en el nivel bajo, que se corresponde con un estado de baja excitación, como 0, o en el nivel alto, que se corresponde con un estado de mayor excitación o definido como 1. Sin embargo lo que diferencia los qubits de la computación clásica es estos últimos también pueden estar en cualquiera de los infinitos estados intermedios entre el 0 y el 1.Este fenómeno se conoce como superposición cuántica y es natural en sistemas cuánticos. (Guillermo Julián, 2019)
Otra de las propiedades de los qubits es el entrelazamiento, es la generación de pares de qubits entrelazados, lo que significa que dos miembros de un par existen en un solo estado cuántico. Al cambiar el estado de uno de los qubits se puede predecir el cambio de su par. Este fenómeno permite que dos partículas separadas entre sí por una gran distancia sean capaces de comunicarse sin que exista ningún canal de transmisión, entre las dos. A este extraño fenómeno, lo llamamos entrelazamiento cuántico. Nadie sabe exactamente cómo funcionan, pero es otra de las claves para entender el poder de las computadoras cuánticas.
Ambos fenómenos mecánicos, tanto la superposición como el entrelazamiento, permiten que un grupo conectado de qubits proporcione una capacidad de proceso infinitamente superior, que la misma cantidad de bits binarios. (Ignasi Sayol, 2019)
Además, el qubit puede resolver muchas más operaciones al mismo tiempo de forma simultánea e incluso realizar miles de combinaciones, lo cual rompería cualquier tipo de encriptación de manera instantánea.
Existen numerosos campos donde el qubit tendrá gran relevancia como la teletransportación de información cuántica en la tierra y en el espacio, las comunicaciones con seguridad definitiva , y el comienzo de big data a niveles inimaginables, y esto es solo el comienzo de todo lo que se puede lograr con el qubit.
(Martín Cáceres, 2019)
¿Cuáles son las principales diferencias entre la computación cuántica y la computación clásica?
En cuanto a la computación clásica, la unidad básica de información es el bit, que puede tener dos estados posibles (1 o 0) y con los que podemos realizar varias operaciones lógicas (AND, NOT, OR). Juntando un número de bits (n) podemos representar números y operar sobre esos números.Sin embargo,sólo podemos representar hasta 2^n estados distintos, y si queremos cambiar x bits tenemos que realizar al menos x operaciones sobre ellos, hasta entonces no había forma de cambiarlos sin tocarlos.
Pues bien, ahora con la superposición y el entrelazamiento podemos almacenar muchos más que sólo 2^n estados con n bits cuánticos (qubits), y el entrelazamiento mantiene fijas ciertas relaciones entre qubits de tal forma que las operaciones en un qubit afectan forzosamente al resto. (Anónimo,2019)
En la actualidad, a diferencia de la informática clásica, no existe un lenguaje computacional cuántico como tal. Los investigadores trabajan en desarrollar algoritmos que puedan dar soluciones concretas a problemas planteados. “Son formas diferentes de trabajar. Un computador cuántico no sirve para hacer tareas cotidianas,” expone García Ripoll. “No cuentan con memoria o procesador. Únicamente tenemos un grupo de ‘cúbits’ con los que escribimos la información y operamos sobre ellos. No hay una arquitectura tan complicada como la de un ordenador convencional. Ahora mismo son sistemas muy primitivos asimilables a una calculadora de principios del siglo pasado pero su capacidad de cálculo para determinados problemas es mucho más alta que un ordenador convencional. Existe esa dicotomía entre lo que parece algo muy simple pero hace una cosa muy potente”, matiza García Ripoll.
Basándonos en la explicaciones de García Ripoll, con la computación cuántica se pretende desarrollar algoritmos cuánticos que permitan realizar ciertas operaciones de una manera totalmente diferente que en muchos casos resulta ser más eficiente, es decir, en mucho menos tiempo o utilizando muchos menos recursos computacionales.
Además la computación cuántica se enfrenta a los problemas que se le plantean de una forma completamente diferente a la computación digital. Mientras que la segunda no deja de ser una máquina de turing, con las limitaciones que su misma estructura impone, la primera refleja de forma mucho más precisa el comportamiento de un cerebro humano por lo que la convierte en una plataforma mucho más adecuada para el desarrollo de redes neuronales y el despliegue de algoritmos de aprendizaje automático.(Rodolfo de Juana, 2019)
En cuanto al hardware, al igual que la estructura interna de un ordenador cuántico es muy diferente a la de un ordenador digital, su hardware también en completamente diferente.
En primer lugar, hay que tener en cuenta que a diferencia de un ordenador tradicional, el cuántico es muy sensible a cualquier cambio de temperatura, así como a todo tipo de oscilaciones y vibraciones externas.
Como explica el responsable de IB: “en la práctica es muy, muy difícil conseguir que los qubits se superpongan y realicen cálculos conjuntos. Para conseguirlo, tenemos que llevar la temperatura de los qubits hasta el cero absoluto (270 °C bajo cero)”.
Para conseguir esta temperatura y eliminar además cualquier tipo de vibración, el equipo de IBM se encierra en un enorme cubo de cristal sellado de forma hermética, al únicamente puede accederse por una pequeña puerta en el caso de que sea necesario realizar alguna modificación en el ordenador. Una vez que se aisla el ordenador, tiene lugar otro inconveniente, comunicarse con el ordenador. (Carlota Fernández,2020)
En la siguiente imagen podemos observar el interior del IBM Q:
¿Qué tipos de problemas serían adecuados para resolverse mediante computación cuántica?
Los campos en los que la computación cuántica puede solucionar problemas y traer novedades van desde la industria farmacéutica y la investigación de nuevos medicamentos, la creación de nuevos materiales e incluso las llamadas finanzas cuánticas, en las que BBVA ya ha empezado a interesarse. En este campo, con la computación clásica podemos predecir, gracias a un algoritmo matemático, el devenir del riesgo de una cartera o estudiar la evolución de la bolsa durante un periodo de tiempo.
Además en el ámbito de la Inteligencia Artificial donde se analizan grandes conjuntos de datos de imágenes, vídeos y textos. Las computadoras cuánticas permitirían analizar y gestionar más datos en mucho menos tiempo, gracias a su potencia para procesar los petabytes de datos que aún no han sido analizados.
En la industria química, por ejemplo, puede trabajar para identificar un nuevo catalizador para fertilizantes que ayude a reducir emisiones de efecto invernadero y mejorar la producción mundial de alimentos. Esto requiere de modelaje de interacciones moleculares muy complejas para las computadoras clásicas, pero adecuadas para las computadoras cuánticas. (Ahmed Banafa,2019)
Dentro del sector de la logística concretamente en la opitimización, cada proceso puede tener un sin número de variables, con las computadoras cuánticas una máquina puede ser capaz de manejar casi innumerables permutaciones y combinaciones, lo que podría hacer avanzar el diseño y el análisis de sistemas de manera masiva. (Ana Hernando,2019)
Bibliografía
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Guillermo Julián, G. J. (2019, 1 marzo). Computación cuántica: qué es, de dónde viene y qué ha conseguido [Archivo de vídeo ]. Recuperado 7 febrero, 2020, de https://www.xataka.com/ordenadores/computacion-cuantica-que-es-de-donde-viene-y-que-ha-conseguido
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