Computadora Cuántica

La computadora cuántica, el "santo grial" de la informática, está a un paso de ser construida

 El plano de una computadora cuántica basado en un proyecto modular

El plano de una computadora cuántica basado en un proyecto modular de gran escala.

Las computadoras cuánticas prometen revolucionar la tecnología informática empleando la mecánica cuántica para procesar y resolver problemas millones de veces más rápido que los dispositivos actuales. Pero su complejidad significa que sólo existen como pequeños prototipos de laboratorio.Hasta ahora. Un grupo internacional de físicos de la Universidad de Sussex, en Reino Unido, publicó los primeros planos para la construcción de una computadora cuántica modular de gran escala con un extraordinario poder de procesamiento. El desarrollo podría conducir a la elaboración de nuevos medicamentos cruciales para la vida, ayudar a resolver insondables problemas científicos y ahondar en los misterios del universo.

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"Hemos producido planos de construcción, un verdadero proyecto para hacer una computadora cuántica a gran escala", dijo a la BBC Winfired Hensinger, profesor de al Universidad de Sussex. El primer paso es la construcción de un dispositivo a pequeña escala, con toda la tecnología relevante a una computadora cuántica, que se llevará a cabo en la universidad dentro de dos años, explicó Hensinger. Luego buscarán socios comerciales para armar una computadora cuántica a gran escala, lo que tomará por lo menos unos diez años por su costo y gran tamaño. "Va a ser inmensa, posiblemente ocupará todo un edificio", reveló el físico. "Construir una computadora cuántica es algo muy difícil pues está en la frontera de la tecnología pero podemos decir que tenemos un plan de construcción realista".

¿Cómo funciona?

El sistema hace uso de la mecánica cuántica. Es un concepto de la física que establece que las cosas pueden estar en dos lugares al mismo tiempo. "Es algo que no se ve con frecuencia pero en el laboratorio podemos hacer que un átomo esté de dos lugares diferentes al mismo tiempo", explicó Hensinger. En una computadora "clásica" la unidad de información se llama "bit", que puede tener el valor de 1 o 0. Su equivalente cuántico opera con "qubits" o bits cuánticos, lo que quiere decir que pueden tener toda la combinación de valores: 0 0, 0 1, 1 0 y 1 1 al mismo tiempo. Este fenómeno abre el camino para hacer cálculos múltiples simultáneamente. En lugar de hacer un cálculo de progresión lógica, como en una computadora binaria estándar -donde las respuestas son sí o no, o encendido o apagado- el sistema cuántico hace todos los cálculos al mismo tiempo y entrega la información instantáneamente.

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 Los qubits necesitan ser sincronizados utilizando un efecto cuántico conocido como enredo o entrelazamiento cuántico. Algo que Albert Einstein llamó "acción miedosa a la distancia". Sin embargo, los científicos han tenido problemas construyendo dispositivos de más de 10 o 15 qubits. Las máquinas sufren de un tipo de falla llamada "decoherencia", donde los qubits pierden su ambigüedad y se convierten en unidades sencillas de 1 y 0, un obstáculo técnico en la construcción práctica de las computadoras cuánticas.

Prototipo con montura

El núcleo de un prototipo de computadora cuántica con iones atrapados.

"Nuestro concepto incluye un método para corregir estos errores, permitiendo la posibilidad de construir un dispositivo de gran escala", señala el profesor Hensinger. El científico de la Universidad de Sussex lideró un equipo internacional con colegas de Google, la Universidad Aarhus de Dinamarca, el instituto de investigación Riken en Japón, y la Universidad de Siegen en Alemania.

Millones de bits cuánticos

"Si uno se remonta a la época de las primeras computadoras, estas empezaron con decenas de bits. Ese es el estado en que se encuentra el campo de computación cuántica ahora", dice Winfried Hensinger.

"Para algunas de las aplicaciones más emocionantes, como la invención de nuevos medicamentos o el entendimiento de la misma estructura de la realidad, el entendimiento del universo, el diseño de nuevos materiales, en lugar de 10 o 15 bits cuánticos, necesito muchos más, tal vez hasta 10 mil millones de bits cuánticos"". El punto de partida de los investigadores fue ¿cómo construir una computadora cuántica a gran escala utilizando la tecnología existente. Su respuesta fue basarse en una variedad de métodos de ciencia aplicada para ensamblar el plano para una computadora cuántica "universal", una que pudiera abordar un elaborado surtido de problemas complejos.

El plano utiliza átomos cargados, o iones, que son capturados para funcionar como qubits. Este método permite a la computadora operar a temperatura ambiental, contrario al modelo de superconductores, que requiere que todo el sistema se refrigere a muy bajas temperaturas.

 Las compuertas lógicas son la base de los circuitos que se utilizan para realizar la computaciones en esta computadora cuántica. Una manera de lograrlo es con láseres, lo que implicaría alinear un rayo láser individual sobre cada ión, una perspectiva extremadamente difícil cuando se trata de una gran número de qubits. Así que la nueva propuesta utiliza microondas y la aplicación de voltajes para operar las compuertas lógicas. Además, otros diseños modulares han propuesto el uso de fibras ópticas para conectar cada módulo de computadora y codificar la información cuántica. No obstante, esta solución es más lenta y mucho más complicada de los que los científicos buscan, así que están abogando por el uso de campos eléctricos para empujar los iones de un módulo a otro.

Ventajas y Desventajas:

  La ventaja que tiene la computación cuántica respecto a la clásica; La lógica de un bit es 0 ó 1, mientras que un bit es de ambos a la vez. Si tomamos por ejemplo dos bits, sus estados posibles son cuatro: 00, 01, 10, 11 (*). Son necesarios cuatro pares de bits para representar la misma información que un solo par de bits con comportamiento ambiguo.

     En general, las ventajas que aporta la computación cuántica son la aplicación masiva de aplicaciones en paralelo y la capacidad de aportar nuevas soluciones a problemas que no son abarcables por la computación cuántica debido a su elevado costo computacional.

Sin embargo, y a pesar de las ventajas expuestas anteriormente, un ordenador cuántico sólo será eficiente para una cantidad de tareas determinadas. Esto implica que habrá ciertas funciones en las que no será una ventaja utilizar la tecnología cuántica frente a la computación clásica actual.

     A diferencia de los números uno y cero que utiliza alternativamente la computación digital o actual, las computadoras cuánticas emplean lo que se conoce como superposiciones. Éstas son estados de la materia que pueden ser tanto números cero como números uno al mismo tiempo. Eso significa que una de las ventajas de la computadora cuántica es que es capaz de realizar cálculos en todas sus superposiciones al mismo tiempo. Un bit no es muy diferente del bit de un ordenador digital, pero si se usan varios la potencia de los bits supera por mucho a los bits tradicionales.

     Sin embargo, uno de los principales problemas que tiene la computación cuántica son las grandes dificultades técnicas, Son necesarias grandes cantidades de bits para cualquier cálculo que implica la corrección de errores. Además hay que tener en cuenta el fenómeno de decoherencia: la superposición cuántica (capacidad de existir un bit en dos universos paralelos) es difícil de obtener y mantener ya que cualquier interacción con el exterior obligará al bit a adoptar un valor definido.

     Otro de los problemas que tiene es que no se a encontrado el hardware adecuado para estas; se han definido una serie de condiciones que debe cumplir, por ejemplo, el sistema debe ser escalable ya que cuando mayor sea el problema, mayor número de bits debe tener; también debe seguir una coherencia cuántica.