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Se solicita discreción
En 2013, Google anunció la puesta en marcha de un laboratorio centrado en la computación cuántica. Una iniciativa similar a la desarrollada por Microsoft y otras grandes compañías, por la que unían sus esfuerzos a los de los centros de I+D (Investigación y desarrollo) que pretenden construir los primeros ordenadores cuánticos.
Hablando del futuro de la computación cuántica, Cirac señala que el principal reto para que estos ordenadores sean una realidad se centra en la susceptibilidad a cometer errores. El bit cuántico, al contrario que el bit de información normal, es muy sensible, por lo que es necesario mejorar el aislamiento de los ordenadores cuánticos y saber cómo pueden corregir posibles errores. A día de hoy este es el desafío más importante para que este tipo de computadores puedan ser diseñados y comercializados.
Computación cuántica
La computación cuántica es un paradigma de computación distinto al de la computación clásica. Se basa en el uso de qubits en lugar de bits, y da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posible nuevos algoritmos.
Qubit
Un qubit o cubit (del inglés quantum bit, o sea bit cuántico) es un sistema cuántico con dos estados propios y que puede ser manipulado arbitrariamente. Se trata de un sistema que solo puede ser descrito correctamente mediante la mecánica cuántica, y que solamente tiene dos estados bien distinguibles mediante medidas físicas. También se entiende por qubit la información que contiene ese sistema cuántico de dos estados posibles. En esta acepción, el qubit es la unidad mínima y por lo tanto constitutiva de la teoría de la información cuántica. Es un concepto fundamental para la computación cuántica y para la criptografía cuántica, el análogo cuántico del bit en informática.
Computación cuántica
Una misma tarea puede tener diferente complejidad en computación clásica y en computación cuántica, lo que ha dado lugar a una gran expectación, ya que algunos problemas intratables pasan a ser tratables. Mientras que un computador clásico equivale a una máquina de Turing,1 un computador cuántico equivale a una máquina de Turing cuántica.
Necesidad
A medida que evoluciona la tecnología, aumenta la escala de integración y caben más transistores en el mismo espacio; así se fabrican microchips cada vez más pequeños, y es que, cuanto más pequeño es, mayor velocidad de proceso alcanza el chip. Sin embargo, no podemos hacer los chips infinitamente pequeños. Hay un límite en el cual dejan de funcionar correctamente. Cuando se llega a la escala de nanómetros, los electrones se escapan de los canales por donde deben circular. A esto se le llama efecto túnel.
Problemas
Uno de los obstáculos principales para la computación cuántica es el problema de la decoherencia cuántica, que causa la pérdida del carácter unitario (y, más específicamente, la reversibilidad) de los pasos del algoritmo cuántico. Los tiempos de decoherencia para los sistemas candidatos, en particular el tiempo de relajación transversal (en la terminología usada en la tecnología de resonancia magnética nuclear e imaginería por resonancia magnética) está típicamente entre nanosegundos y segundos, a temperaturas bajas. Las tasas de error son típicamente proporcionales a la razón entre tiempo de operación frente a tiempo de decoherencia, de forma que cualquier operación debe ser completada en un tiempo mucho más corto que el tiempo de decoherencia. Si la tasa de error es lo bastante baja, es posible usar eficazmente la corrección de errores cuántica, con lo cual sí serían posibles tiempos de cálculo más largos que el tiempo de decoherencia y, en principio, arbitrariamente largos. Se cita con frecuencia una tasa de error límite de 10-4, por debajo de la cual sesupone que sería posible la aplicación eficaz de la corrección de errores cuánticos.
Otro de los problemas principales es la escalabilidad, especialmente teniendo en cuenta el considerable incremento en qubits necesarios para cualquier cálculo que implica la corrección de errores. Para ninguno de los sistemas actualmente propuestos es trivial un diseño capaz de manejar un número lo bastante alto de qubits para resolver problemas computacionalmente interesantes hoy en día.
Hardware para computación cuántica
Aún no se ha resuelto el problema de qué hardware sería el ideal para la computación cuántica. Se ha definido una serie de condiciones que debe cumplir, conocida como la lista de Di Vincenzo, y hay varios candidatos actualmente.
Procesadores
En 2004, científicos del Instituto de Física aplicada de la Universidad de Bonn publicaron resultados sobre un registro cuántico experimental. Para ello utilizaron átomos neutros que almacenan información cuántica, por lo que son llamados qubits por analogía con los bits. Su objetivo actual es construir una puerta cuántica, con lo cual se tendrían los elementos básicos que constituyen los procesadores, que son el corazón de los computadores actuales. Cabe destacar que un chip de tecnología VLSI contiene actualmente más de 100.000 puertas, de manera que su uso práctico todavía se presenta en un horizonte lejano.
Actualidad
En 2013, Google anunció la puesta en marcha de un laboratorio centrado en la computación cuántica. Una iniciativa similar a la desarrollada por Microsoft y otras grandes compañías, por la que unían sus esfuerzos a los de los centros de I+D que pretenden construir los primeros ordenadores cuánticos.
NASA y Google compran un ordenador cuántico de 15.000.000$
El procesador D-Wave Two, un ordenador basado en la física cuántica, de 15 millones de dólares, se instalará en un centro de la NASA y será compartido por Google y otros científicos.
Construido por la empresa canadiense D-Wave Systems, el procesador utiliza un túnel cuántico para alcanzar soluciones a los problemas matemáticos en fracciones de segundo. Los ordenadores clásicos utilizan millones de transistores (pequeños interruptores eléctricos) para calcular soluciones matemáticas. Utilizan “bits”, unos y ceros de los principios básicos. Por otra parte, los ordenadores cuánticos usan bits cuánticos o “qubits” que transmiten en unos y ceros a la vez (que operan a una velocidad de aproximadamente 3600 veces más rápido que los ordenadores convencionales).
Impacto de la computación cuántica
Según las leyes de la física cuántica, que rigen el mundo microscópico, cuando nadie observa una partícula, esta no tiene características definidas y puede presentar todos los valores de las propiedades a la vez. Una extraña particularidad que constituye la base de la computación cuántica y, por tanto, del funcionamiento de los ordenadores cuánticos. Gracias a ella “podemos hacer cosas que no son posibles con los ordenadores normales”, añade Cirac.
“¿La luna existe solo cuando la miramos?”. Es una pregunta atribuida al físico Albert Einstein, con la que mostraba su escepticismo ante la teoría cuántica. Al científico no le entraba en la cabeza que una partícula (o un gato, como ejemplificó Schrödinger) pudiera estar en varios sitios a la vez.
La NASA y Google trabajan desde hace poco con un sistema de este tipo – se llama D-Wave 2x − para investigar las posibles aplicaciones de la computación cuántica en inteligencia artificial y aprendizaje automático. La NSA también intenta fabricar uno de estos ingenios para descifrar contraseñas, según reveló The Washington Post.
Todavía no tenemos la tecnología para dominar los fenómenos extraordinarios que caracterizan a la física cuántica, de ahí la dificultad de construir un verdadero ordenador cuántico”, explica el investigador. Solo existen pequeños prototipos.
La investigación público-privada de la última década ha acelerado la llegada de los ordenadores cuánticos. Estos dispositivos, según el físico español, servirán “para hacer cálculos potentes, cálculos que normalmente la gente no tiene por qué hacer, pero sí los que hacen diseño de materiales o desarrollo de fármacos, por ejemplo”.
Cirac afirma que los ordenadores cuánticos no serán de uso personal, dado que los computadores que tenemos actualmente ya nos sirven para consultar el correo electrónico o hacer compras por Internet. En otras palabras, en nuestra vida diaria no necesitamos hacer cálculos tan precisos como los que realizarían los ordenadores cuánticos, aunque según Juan Ignacio Cirac, en algún momento puede que existan ordenadores híbridos, a medio camino entre los computadores personales y los cuánticos.
Las aplicaciones de la física cuántica, tanto a nivel informático como criptográfico, están llamadas a cambiar el mundo que nos rodea en la próxima década. El trabajo de científicos como Juan Ignacio Cirac, cuyo nombre ha sonado varias veces para el Premio Nobel de Física, revolucionará la forma en la que nos comunicamos o estudiamos el desarrollo de medicamentos, nuevos materiales o el cambio climático. Un futuro esperanzador, sin duda, en el que la computación cuántica será imprescindible.
Se acerca el finde y no tengo suficientes bits para el McDonalds