Un científico especializado en computación cuántica explica un hito que se aproxima y que marcará la ventaja de lallegada de ordenadores extremadamente potentes.
Un científico especializado en computación cuántica explica un hito que se aproxima y que marcará la ventaja de lallegada de ordenadores extremadamente potentes.La ventaja cuántica es el hito hacia el que trabaja fervientemente el campo de la informática cuántica, donde un ordenador cuántico puede resolver problemas que están fuera del alcance de los ordenadores no cuánticos, o clásicos, más potentes.
La cuántica se refiere a la escala de átomos y moléculas donde las leyes de la física tal y como las experimentamos se rompen y se aplica un conjunto de leyes diferentes y contraintuitivas. Los ordenadores cuánticos aprovechan estos comportamientos extraños para resolver problemas.
Hay algunos tipos de problemas que son impracticables para los ordenadores clásicos, como descifrar los algoritmos de encriptación más avanzados. Las investigaciones de las últimas décadas han demostrado que los ordenadores cuánticos tienen potencial para resolver algunos de estos problemas. Si se puede construir un ordenador cuántico que realmente resuelva uno de estos problemas, habrá demostrado una ventaja cuántica.
Soy un físico que estudia el procesamiento cuántico de la información y el control de los sistemas cuánticos. Creo que esta frontera de la innovación científica y tecnológica no sólo promete avances revolucionarios en computación, sino que también representa un auge más amplio de la tecnología cuántica, incluidos avances significativos en criptografía cuántica y detección cuántica.
La fuente del poder de la computación cuántica
Un elemento central de la computación cuántica es el bit cuántico o qubit. A diferencia de los bits clásicos, que sólo pueden estar en los estados 0 ó 1, un qubit puede estar en cualquier estado que sea una combinación de 0 y 1. Este estado que no es ni sólo 1 ni sólo 0 se conoce como superposición cuántica. Con cada qubit adicional, se duplica el número de estados que pueden representar los qubits.
A menudo se confunde esta propiedad con el origen de la potencia de la computación cuántica. En realidad, se reduce a una intrincada interacción de superposición, interferencia y entrelazamiento.
La interferencia consiste en manipular los qubits de modo que sus estados se combinen constructivamente durante los cálculos para amplificar las soluciones correctas y destructivamente para suprimir las respuestas erróneas. La interferencia constructiva es lo que ocurre cuando los picos de dos ondas, como las ondas sonoras o las olas del mar, se combinan para crear un pico más alto. La interferencia destructiva es lo que ocurre cuando un pico y un valle de una onda se combinan y se anulan mutuamente. Los algoritmos cuánticos, que son pocos y difíciles de idear, establecen una secuencia de patrones de interferencia que dan la respuesta correcta a un problema.
El entrelazamiento establece una correlación exclusivamente cuántica entre qubits: El estado de uno de ellos no puede describirse independientemente de los demás, por muy alejados que estén. Esto es lo que Albert Einstein describió como «espeluznante acción a distancia». El comportamiento colectivo del entrelazamiento, orquestado a través de un ordenador cuántico, permite aumentos de velocidad computacional que están fuera del alcance de los ordenadores clásicos.
Aplicaciones de la computación cuántica
La computación cuántica tiene una serie de usos potenciales en los que puede superar a los ordenadores clásicos. En criptografía, los ordenadores cuánticos suponen tanto una oportunidad como un reto. Por ejemplo, pueden descifrar los algoritmos de cifrado actuales, como el esquema RSA.
Una consecuencia de ello es que los protocolos de cifrado actuales deben rediseñarse para resistir futuros ataques cuánticos. Este reconocimiento ha dado lugar al floreciente campo de la criptografía post-cuántica. Tras un largo proceso, el National Institute of Standards and Technology acaba de seleccionar cuatro algoritmos resistentes a los ataques cuánticos y ha comenzado a prepararlos para que organizaciones de todo el mundo puedan usarlos en su tecnología de cifrado.
Además, la computación cuántica puede acelerar espectacularmente la simulación cuántica: la capacidad de predecir el resultado de experimentos que operan en el ámbito cuántico. El famoso físico Richard Feynman imaginó esta posibilidad hace más de 40 años. La simulación cuántica ofrece la posibilidad de realizar avances considerables en química y ciencia de materiales, ayudando en áreas como el modelado intrincado de estructuras moleculares para el descubrimiento de fármacos y permitiendo el descubrimiento o la creación de materiales con propiedades novedosas.
Otro uso de la tecnología de la información cuántica es la detección cuántica: detectar y medir propiedades físicas como la energía electromagnética, la gravedad, la presión y la temperatura con mayor sensibilidad y precisión que los instrumentos no cuánticos. La detección cuántica tiene innumerables aplicaciones en campos como el control medioambiental, la exploración geológica, la imagen médica y la vigilancia.
Iniciativas como el desarrollo de una internet cuántica que interconecte ordenadores cuánticos son pasos cruciales para tender un puente entre los mundos de la computación cuántica y clásica. Esta red podría protegerse mediante protocolos criptográficos cuánticos como la distribución cuántica de claves, que permite canales de comunicación ultraseguros y protegidos contra ataques computacionales, incluidos los que utilizan ordenadores cuánticos.
Pese al creciente número de aplicaciones de la computación cuántica, el desarrollo de nuevos algoritmos que aprovechen al máximo la ventaja cuántica, sobre todo en el aprendizaje automático, sigue siendo un área crítica de investigación.
Mantener la coherencia y superar los errores
El campo de la computación cuántica se enfrenta a importantes obstáculos en el desarrollo de hardware y software. Los ordenadores cuánticos son muy sensibles a cualquier interacción involuntaria con su entorno. Esto provoca el fenómeno de la decoherencia, en el que los qubits se degradan rápidamente a los estados 0 o 1 de los bits clásicos.
Construir sistemas de computación cuántica a gran escala capaces de cumplir la promesa de aumentar la velocidad cuántica exige superar la decoherencia. La clave está en desarrollar métodos eficaces de supresión y corrección de errores cuánticos, un área en la que se centra mi propia investigación.
Para hacer frente a estos retos, han surgido numerosas empresas emergentes de hardware y software cuántico, además de empresas tecnológicas consolidadas como Google e IBM. Este interés de la industria, combinado con importantes inversiones de gobiernos de todo el mundo, pone de relieve el reconocimiento colectivo del potencial transformador de la tecnología cuántica. Estas iniciativas fomentan un rico ecosistema en el que colaboran el mundo académico y la industria, acelerando los avances en este campo.
La ventaja cuántica a la vista
La computación cuántica puede ser algún día tan disruptiva como la llegada de la IA generativa. Actualmente, el desarrollo de la tecnología de computación cuántica se encuentra en una coyuntura crucial. Por un lado, el campo ya ha mostrado los primeros indicios de haber logrado una ventaja cuántica estrechamente especializada. Investigadores de Google y más tarde un equipo de investigadores de China demostraron la ventaja cuántica para generar una lista de números aleatorios con determinadas propiedades. Mi equipo de investigación demostró una aceleración cuántica para un juego de adivinación de números aleatorios.
Por otro lado, existe un riesgo tangible de entrar en un «invierno cuántico», un periodo de reducción de la inversión si no se consiguen resultados prácticos a corto plazo.
Mientras la industria tecnológica trabaja para ofrecer ventajas cuánticas en productos y servicios a corto plazo, la investigación académica sigue centrada en investigar los principios fundamentales que sustentan esta nueva ciencia y tecnología. Esta investigación básica en curso, alimentada por cuadros entusiastas de nuevos y brillantes estudiantes del tipo que encuentro casi a diario, garantiza que el campo seguirá progresando.
Fte. NextGov (Daniel Lidar)
Daniel Lidar es catedrático de Ingeniería Eléctrica, Química y Física y Astronomía, Universidad del Sur de California
