La posibilidad de tener una computadora mucho más rápida que las conocidas actualmente, se hace tangible con la computación cuántica. Esta tecnología promete generar computadoras que aprendan a desarrollar tareas de forma independiente, así como autocorregirse, tomando decisiones mucho más eficaces y rápidas. De igual manera ofrece facilitar el estudio de ciertos tipos de cáncer y la predicción de desastres naturales.

Las diferencias de la computación cuántica con el cómputo clásico que conocemos, se dan básicamente porque en el mundo cuántico se puede trabajar en paralelismo de grano fino, es decir, resolver un número exponencial de tareas a la vez, mientras que un ordenador tradicional trabaja con paralelismo de grano grueso, de forma secuencial, ya que primero soluciona un problema, luego otro y así sucesivamente.

Con la computación tradicional se pueden solucionar problemas complicados como evaluar el impacto de la ceniza en el tráfico aéreo en tiempo real y así evitar accidentes, pero el cómputo cuántico permitiría analizar varios patrones del tráfico, así como muchos otros que pudieran presentarse a la hora de volar, encontrando la ruta de vuelo más eficiente y rápida. “Esta tecnología es capaz de procesar muchos problemas con varias soluciones en un período de tiempo relativamente breve”, aseguró Francisco Rodríguez Henríquez, jefe del Departamento de Computación del Cinvestav.

Uno de los obstáculos de las computadoras que conocemos, frente a esta nueva tecnología, se da porque sus componentes obedecen leyes físicas del mundo macroscópico, sin embargo, la computación cuántica está gobernada por leyes físicas que rigen el comportamiento de átomos, electrones y fotones (entre otros sistemas cuánticos), lo que le da mayor capacidad de procesamiento y almacenamiento frente a cualquier computadora tradicional existente.

Entre más pequeña sea la estructura con la que se procesa la información, las herramientas computacionales serán más útiles y eficaces. Actualmente un transistor ─celda de memoria que se utiliza en las computadoras tradicionales─, llega a tener un tamaño de 20 nanómetros, pero aún con esa dimensión tan pequeña, estos dispositivos no son capaces de resolver problemas tan complejos como el funcionamiento del universo.

La computación cuántica se basa en los principios de la física de lo más pequeño: la mecánica cuántica. Mientras las computadoras clásicas guardan toda la información en transistores; en el cómputo cuántico este procedimiento lo realizan partículas, como electrones y fotones.

Francisco Rodríguez explicó que en el cómputo cuántico la información se almacena en qubits (apócope de quantum bit), el equivalente a un bit en las computadoras clásicas. “Las leyes que rigen son las de la física cuántica. Mientras que en el cómputo tradicional todos los procesos son ejecutados por las celdas de memoria, bits, variables binarias que sólo toman uno de dos posibles valores: 0 o 1; en los qubits la localidad de memoria puede estar en 0 en 1 o en ambos estados, lo que permite procesar la información de una manera mucho más eficaz, así como tener un paralelismo en los algoritmos que posibilita ejecutarlos con mucha mayor velocidad”.

Otra de las características en este mundo microscópico es la superposición de sus elementos: estar en varios estados a la vez y solo reflejar el resultado cuando se hace una medición del estado del qubit; significa que estas computadoras serán capaces de realizar cálculos en todas sus superposiciones al mismo tiempo.

Podemos ejemplificar la superposición imaginando una partida de ajedrez, donde uno de los contrincantes es una computadora clásica, por lo que solo tendría acceso a un escenario o una sola realidad al momento de hacer una jugada. Por su parte, si el otro participante fuera una computadora cuántica tendría acceso a un número infinitamente mayor de realidades posibles al momento de hacer una jugada, disminuyendo las posibilidades de error.

El investigador detalló que a medida que se agregan más qubits a un sistema, éste se vuelve exponencialmente más poderoso debido al paralelismo cuántico y con el tipo correcto de algoritmo se pueden resolver ciertos problemas en una fracción de tiempo menor que con la computación clásica. “Esta tecnología sólo es aplicable a cierto tipo de algoritmos. Una de las propuestas es que las computadoras cuánticas podrían ser utilizadas para romper los criptosistemas utilizados actualmente en el comercio electrónico”.

Aunque esta tecnología presume que va a revolucionar los resultados que se ofrezcan en las distintas áreas de la ciencia, los especialistas coinciden que el desarrollo de la computación cuántica va muy lento en comparación del gran progreso que se tiene en las computadoras de transistores.

La misma superposición que presenta una ventaja en el cómputo cuántico, también es un reto, ya que sus resultados son aleatorios. Por ejemplo, consideremos el caso clásico de una cerradura de combinación con unas 10 mil opciones posibles. Al principio se utiliza un estado que es la superposición de las diez mil combinaciones posibles; y a la salida se obtiene un estado que es la superposición de la cerradura abierta y cerrada a la vez.

Las computadoras cuánticas aún no son una realidad, mencionó el investigador del Cinvestav, pero, aseguran algunas fuentes académicas, de la industria y agencias gubernamentales altamente respetadas, están muy cerca de serlo, lo que se tiene hasta ahora son prototipos y simuladores de estos ordenadores. El enigma de esta tecnología es que su infraestructura necesita condiciones muy especiales, ya que los electrones a la menor perturbación térmica o electromagnética pueden alterar su estado, provocando errores. Por eso los qubits se mantienen a temperaturas cercanas al cero absoluto. Sin embargo, es importante señalar que algunos científicos ven con mucho escepticismo que esta tecnología alguna vez se pueda desarrollar de manera efectiva.

Hasta ahora aislar unos cuantos qubits de influencias incontrolables es relativamente fácil, el obstáculo está cuando se requieren contener un número alto de qubits, porque la probabilidad de que algunos interactúen con el exterior y produzcan un error en el sistema es mayor.

Francisco Rodríguez dijo que existen varios intentos de hacer una computadora cuántica, por ejemplo IBM trabaja en un modelo de ordenador universal llamado Quantum Experience, con el cual pretende hacer descubrimientos de nuevos fármacos y materiales o asegurar el envío de datos por canales cuánticos seguros aprovechando las rarezas de la física cuántica. El investigador señaló que esta plataforma es un simulador de cinco qubits en la nube conectada a la web para que cualquiera que lo desee pueda experimentar de forma gratuita con un procesador cuántico.

En mayo de 2011 la compañía canadiense D-Wave Systems anunció al mundo que sus ingenieros habían desarrollado la primera computadora cuántica adiabática (referencia a elementos que impiden la transferencia de calor con el entorno) de la historia: D-Wave, una enorme caja negra que funciona como un congelador y que contiene, en el interior de sus paredes de tres metros de alto, un chip de niobio (el elemento 41 de la tabla periódica) a 273 °C bajo cero. A dos semanas del evento, la empresa Lockheed Martin compró el primer prototipo en 15 millones de dólares y reservaron el segundo. Posteriormente Google y la NASA adquirieron sus propios prototipos.

Pese a que muchos científicos dudan que D-Wave sea realmente una computadora cuántica nadie quiere quedar rezagado. China, Reino Unido, Rusia, Australia, Holanda y organizaciones como la CIA, la NASA y el Pentágono participan en investigaciones que buscan avanzar en el desarrollo de esta nueva arquitectura de la computación.

Algunos especialistas aseguran que aún estamos a dos décadas de distancia del desarrollo de la primera computadora cuántica completamente funcional. Otros sostienen que nunca se llegará a crear una, porque ven lejos el entendimiento de dominar y manejar el mundo microscópico para poder guardar y transmitir información. Aun con la expectativa de la comunidad científica se tendrá que esperar para saber si ordenadores como D-Wave son realmente una computadora cuántica.

A tres años del lanzamiento del primer ordenador de D-Wave, un equipo de expertos en computación cuántica en Estados Unidos y Suiza publicó un artículo en Science que arroja dudas sobre la capacidad del procesador cuántico para realizar ciertas tareas computacionales. El documento concluye que el procesador no ofrece ninguna ventaja sobre una computadora convencional cuando se usa para resolver un problema de comparación de computadoras.

Mientras los investigadores dicen que los resultados no descartan la posibilidad de que el procesador puede superar las computadoras convencionales en la resolución de otras clases de problemas, su trabajo indica que la evaluación del desempeño de una computadora cuántica podría ser una tarea mucho más difícil de lo pensado. D-Wave respondió diciendo que se utilizó un problema de comparación incorrecto para evaluar a su procesador. La empresa lanzó la segunda generación de procesadores cuánticos D-Wave II, que funciona con 512 qubits y en palabras del equipo de Google encargado del laboratorio cuántico, aseguran que con las pruebas realizadas este procesador cuántico es 100 millones de veces más rápido que un ordenador convencional.

William de la Cruz de los Santos es un investigador de la Universidad Autónoma del Estado de México, integrante de un grupo de científicos mexicanos que trabajan con D-Wave, en un proyecto experimental que se realiza en el Laboratorio Cuántico de Inteligencia Artificial de la NASA, cuyos principales propósitos son que esta tecnología apoye en la búsqueda de exoplanetas, en el reconocimiento de imágenes, en patrones de optimización de procesos y en la detección de fallas en redes de potencia.

El investigador comentó que su participación radica en que se les da tiempo de cómputo para resolver un problema teórico que se llama “de cortes en gráficas” y hacen pruebas demostrando algunas estadísticas de desempeño, modelados, diseño de algoritmos cuánticos y estudios teóricos. “D-Wave ya está funcionando y ya ha dado algunos resultados con problemas clásicos teóricos, por ejemplo el famoso problema del agente viajero, que consiste en encontrar un recorrido completo que conecte todos los nodos de una red, visitándolos tan solo una vez, volviendo al punto de partida y que además minimice la distancia y costos del total de la ruta”.

Se espera que este año D-Wave llegue a tener 2 mil 48 qubits, los que la pueden posicionar en lo que se conoce en computación como la supremacía cuántica, que es la ventaja en velocidad que tendría una computadora cuántica sobre cualquier computadora convencional. Pero Google también quiere esta posición por lo que anunció que lanzará un chip cuántico capaz de realizar un cálculo que está fuera del alcance de cualquier ordenador actual, antes de 2018. “Hay ciertas pruebas que teóricamente han demostrado que si una computadora cuántica puede llevarlas a cabo, es decir procesar un problema arriba de mil qubits, se consumaría como el ordenador más poderoso jamás construido hasta ahora por el hombre” aseguró el investigador.

Aún con todas las características y los beneficios de la computación cuántica, William de la Cruz afirmó que no va a desplazar al cómputo de transistores, ya que cada una de estas tecnologías está concebida para realizar tareas totalmente diferentes. Por otra parte, aseguró que “hasta el momento el cómputo cuántico necesita de toda la infraestructura de la computación tradicional que tenemos hoy para poder interactuar. Se usan las mismas metodologías en muchos casos, por ejemplo los modelos de computadoras de transistores se basan en compuertas lógicas, como una negación y una conjunción, la computadora cuántica simula esos mismos procesos para construir un nuevo modelo de cómputo. En algunos casos nos apoyamos en las mismas teorías del cómputo clásico”.

Aunque los ordenadores cuánticos prometen revolucionar la industria del cómputo gracias a su gran poder de cálculo, la computación de microprocesadores tradicionales continúa siendo la mejor opción para ciertos tipos de tareas.