¿QUÉ ES LA COMPUTACIÓN CUÁNTICA? 

    Para entender cómo funcionan los computadores cuánticos es conveniente explicar primero cómo funcionan los computadores que utilizamos a diario, a los que nos referiremos en este documento como computadores digitales o clásicos. Estos, al igual que el resto de los dispositivos electrónicos como tablets o teléfonos móviles, utilizan bits como unidades fundamentales de memoria. Esto significa que los programas y aplicaciones están codificados en bits, es decir, en lenguaje binario de ceros y unos. Cada vez que interactuamos con cualquiera de estos dispositivos (por ejemplo pulsando una tecla del teclado) se crean, destruyen y/o modifican cadenas de ceros y unos dentro de la computadora. 

    La pregunta interesante es, ¿qué son físicamente estos ceros y unos dentro de la computadora? Los estados cero y uno de los bits se corresponden con corriente eléctrica que circula, o no, a través de unas piezas microscópicas denominadas transistores, que actúan como interruptores. Cuando no circula corriente, el transistor está “apagado” y se corresponde con un bit 0, y cuando circula está “encendido” y se corresponde con un bit 1. De forma más simplificada, es como si los bits 0 y 1 se correspondiesen con huecos, de manera que un hueco vacío es un bit 0 y un hueco ocupado por un electrón es un bit 1. Es por este motivo que estos dispositivos se llaman electrónicos.

    Ahora que tenemos una idea de cómo funcionan los computadores actuales, tratemos de entender cómo funcionan los cuánticos. La unidad fundamental de información en computación cuántica es el quantum bit o qubit . 

    Los qubits son, por definición, sistemas cuánticos de dos niveles (ahora veremos ejemplos) que pueden estar en el nivel bajo, que se corresponde con un estado de baja excitación o energía definido como 0, o en el nivel alto, que se corresponde con un estado de mayor excitación o definido como 1, pero (y aquí radica la diferencia fundamental con la computación clásica) también pueden estar en cualquiera de los infinitos estados intermedios, como por ejemplo un estado que sea mitad 0 y mitad 1, o tres cuartos de 0 y un cuarto de 1. Este fenómeno se conoce como superposición cuántica y es natural en sistemas cuánticos. 

    Para hacernos una idea de cómo conseguir un sistema de este tipo físicamente, imaginemos un electrón orbitando alrededor de un átomo. Cuanta más energía tienen los electrones en un átomo, mayor es su capacidad para alejarse del núcleo que los atrae electromagnéticamente, pudiendo situarse en órbitas más alejadas de este. Para que el átomo se comporte como un sistema cuántico de dos niveles (un qubit), necesitamos reducir la energía del electrón para que no pueda escaparse de las dos órbitas más bajas. Esto se consigue enfriando el sistema, y tiene relación con que los computadores cuánticos que se están desarrollando hoy en día sean los lugares más fríos del universo, ya que solo a temperaturas extremadamente bajas se consigue controlar estos procesos cuánticos. Denominamos entonces a la órbita más cercana al núcleo el estado o nivel 0 y a la más alejada el estado o nivel 1. Para que el electrón pueda pasar de la órbita 0 a la 1 necesita recibir energía, y para descender de la 1 a la 0 necesita disipar o ceder energía. 

    Cuando observemos el electrón, siempre vamos a encontrarlo en una de las órbitas pre-definidas alrededor del núcleo. Si el sistema se ha enfriado lo suficiente, lo encontraremos o bien en el estado 0 (en la órbita más cercana al núcleo) o en el estado 1 (la siguiente). Sin embargo, estas órbitas no son continuas, sino que hay una diferencia de energía entre ambas. La pregunta clave es, ¿qué pasa si cuando el electrón está en la órbita baja le damos una energía que no es suficiente para llegar a la órbita 1? Pues ocurre que desde el momento en que el electrón recibe la energía hasta el momento en que nosotros lo observamos para ver en cuál de las dos órbitas está, el electrón está en un estado intermedio que podemos entender como una superposición de los estados 0 y 1 de las que mencionábamos antes. En el momento que observamos (interactuamos con) el electrón, se rompe esa superposición en lo que se conoce como colapso o decoherencia del sistema, y el electrón se presenta o bien en la órbita que denominamos 0 o bien en la que denominamos 1. 

    Dado que esto es contraintuitivo, tal y como adelantábamos al principio, no está de más insistir sobre ello. Lo que ocurre con la realidad subatómica es que en muchos casos permanece indefinida (como superposición simultanea de varias realidades) hasta que tiene lugar una interacción y entonces elige qué forma tomar (cuál de las realidades prevalece). Esto resulta difícil de entender ya que estamos acostumbrados a observar el mundo macroscópico, donde percibimos una realidad independiente del observador en la que las cosas son como son sin importar que alguien las observe o mida. En el mundo subatómico, diferentes realidades coexisten hasta que una interacción hace que solo una “sobreviva”. En este caso, el electrón solo tiene permitido (por la naturaleza) estar en órbitas específicas alrededor del átomo, que para nuestro ejemplo hemos reducido a dos. Sin embargo, si le damos o le quitamos una cantidad de energía menor que la que le permitiría pasar de una órbita a otra, entonces el electrón pasa a tener una posición indefinida entre las dos órbitas hasta que lo observamos. 

    La pregunta que surge entonces es: ¿En qué órbita va a aparecer el electrón al observarlo? La respuesta a esta pregunta es que no podemos saberlo. Podemos conocer la probabilidad exacta de que aparezca en la órbita 0 o en la órbita 1 en función de la energía que posea en el momento en que lo observemos y tenga que “decidir”, de forma que cuanta más energía le hayamos dado, más “cerca” estará de la órbita 1 y en consecuencia mayor será la probabilidad de encontrarlo ahí al medir, y viceversa. 

¿CÓMO FUNCIONA? 

    El propósito de los computadores cuánticos es aprovechar estas propiedades cuánticas de los qubits , como sistemas cuánticos que son, para poder correr algoritmos cuánticos que utilizan la superposición y el entrelazamiento para ofrecer una capacidad de procesamiento mucho mayor que los clásicos. Es importante indicar que el verdadero cambio de paradigma no consiste en hacer lo mismo que hacen las computadoras digitales o clásicas (las actuales) pero más rápido, como de forma errónea se puede leer en muchos artículos, sino que los algoritmos cuánticos permiten realizar ciertas operaciones de una manera totalmente diferente que en muchos casos resulta ser más eficiente (es decir, en muchos menos pasos). 

    Veamos un ejemplo concreto de lo que esto implica. Imaginemos que estamos en Bogotá y queremos saber cuál es la mejor ruta para llegar a Lima de entre N =1.000.000 candidatas. De cara a poder utilizar computadoras para encontrar el camino óptimo necesitamos digitalizar 1.000.000 opciones, lo que implica traducirlas a lenguaje de bits para el computador clásico y a qubits para el computador cuántico. Mientras que una computadora clásica necesitaría ir uno por uno analizando todos los caminos hasta encontrar el deseado, una computadora cuántica se aprovecha del proceso conocido como paralelismo cuántico que le permite considerar todos los caminos a la vez. Esto implica que, si bien la computadora clásica necesita del orden de N/2 pasos o iteraciones, es decir, 500.000 intentos, la computadora cuántica encontrará la ruta óptima tras solo √N operaciones sobre el registro, es decir, 1.000 intentos. 

    En muchos casos la ventaja no es cuadrática sino exponencial ya que, gracias al paralelismo cuántico, con n qubits podemos obtener una capacidad computacional equivalente a 2^n bits. Para ejemplificar esto, es frecuente contar que con unos 270 qubits se podrían tener más estados base en un computador cuántico (más cadenas de caracteres diferentes y simultáneas) que el número de átomos en el universo, que se estima en torno a 2 ^80 . 

Si estás interesado aquí te dejo un vídeo de YouTube del canal de Quantum Fracture que te puede interesar 

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