Computación Cuántica: Cómo funciona y su importancia

Computación Cuántica

¿Qué es la computación cuántica?

La naturaleza, incluidas las moléculas como la cafeína, sigue las leyes de la mecánica cuántica, una rama de la física que explora cómo funciona el mundo físico en los niveles más fundamentales.

En este nivel, las partículas se comportan de maneras extrañas, adquiriendo más de un estado al mismo tiempo e interactuando con otras partículas que están muy lejos.

La computación cuántica aprovecha estos fenómenos cuánticos para procesar información de una manera novedosa y prometedora.

¿Qué son las computadoras clásicas?

Las computadoras que usamos hoy se conocen como computadoras clásicas. Han sido una fuerza motriz en el mundo durante décadas, modernizando todo, desde la asistencia sanitaria hasta la forma en que compramos.

Pero hay ciertos problemas que las computadoras clásicas simplemente nunca podrán resolver.

Considere la molécula de cafeína en una taza de café. Sorprendentemente, esta molécula es lo suficientemente compleja como para que ninguna computadora que exista o pueda construirse pueda modelar la cafeína y comprender completamente su estructura y propiedades detalladas.

Este es el tipo de desafío que la cuántica tiene el potencial de abordar.

¿Cómo funcionan las computadoras cuánticas?

Las computadoras clásicas codifican información en bits. Cada bit puede tomar el valor de 1 o 0. Estos 1s y 0s actúan como interruptores de encendido / apagado que en última instancia conducen las funciones de la computadora.

Las computadoras cuánticas, por otro lado, se basan en los qubits, que operan de acuerdo con dos principios clave de la física cuántica: la superposición y el enredo. La superposición significa que cada qubit puede representar tanto un 1 como un 0 al mismo tiempo.

El enredo significa que los qubits en una superposición pueden correlacionarse entre sí; es decir, el estado de uno (ya sea un 1 o un 0) puede depender del estado de otro.

Usando estos dos principios, los qubits pueden actuar como conmutadores más sofisticados, permitiendo que las computadoras cuánticas funcionen de manera que les permita resolver problemas difíciles que no pueden resolverse usando las computadoras de hoy en día.

Superposición y enredo

Está bien sentirse un poco desconcertado por estos conceptos, ya que no los experimentamos en nuestra vida cotidiana. Solo cuando observas las partículas cuánticas más diminutas (átomos, electrones, fotones, etc.) ves cosas intrigantes como la superposición y el enredo.

La superposición es esencialmente la capacidad de un sistema cuántico para estar en múltiples estados al mismo tiempo, es decir, algo puede estar "aquí" y "allí", o "arriba" y "abajo" al mismo tiempo.

El enredo es una correlación extremadamente fuerte que existe entre partículas cuánticas, tan fuerte, de hecho, que dos o más partículas cuánticas pueden estar inextricablemente unidas en perfecta armonía, incluso si están separadas por grandes distancias. Las partículas permanecen perfectamente correlacionadas, incluso si están separadas por grandes distancias.

Las partículas están tan intrínsecamente conectadas que se puede decir que "bailan" en unísono instantáneo y perfecto, incluso cuando se colocan en los extremos opuestos del universo. Esta conexión aparentemente imposible inspiró a Einstein a describir el enredo como "una acción espeluznante a distancia".

¿Por qué importan estos efectos cuánticos?

Primero que nada, son fascinantes. Aún mejor, serán extremadamente útiles para el futuro de la informática y las tecnologías de comunicación.

Gracias a la superposición y el enredo, una computadora cuántica puede procesar una gran cantidad de cálculos simultáneamente. Piénselo de esta manera: mientras que una computadora clásica trabaja con unos y ceros, una computadora cuántica tendrá la ventaja de usar unos, ceros y "superposiciones" de unos y ceros.

Ciertas tareas difíciles que durante mucho tiempo se habían considerado imposibles (o "intratables") para las computadoras clásicas se lograrán rápida y eficientemente por una computadora cuántica.

¿Qué puede hacer una computadora cuántica que una computadora clásica no puede?

Factorizar grandes números, para empezar. Multiplicar dos números grandes es fácil para cualquier computadora. Pero calcular los factores de un número muy grande (por ejemplo, 500 dígitos), por otro lado, se considera imposible para cualquier computadora clásica.

En 1994, un matemático del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) Peter Shor, que trabajaba en AT & T en ese momento, reveló que si una computadora cuántica totalmente funcional estuviera disponible, podría factorizar grandes números fácilmente.

¿Qué pueden hacer las computadoras cuánticas?

Los sistemas cuánticos pueden desentrañar la complejidad de las interacciones moleculares y químicas que conducen al descubrimiento de nuevos medicamentos y materiales. Pueden permitir la logística y las cadenas de suministro ultraeficientes, como la optimización de las operaciones de distribución para las entregas durante la temporada de navidad.

Pueden ayudarnos a encontrar nuevas formas de modelar datos financieros y aislar factores de riesgo globales clave para realizar mejores inversiones. Y pueden hacer que las facetas de la inteligencia artificial, como el aprendizaje automático, sean mucho más poderosas.

Factorizar números grandes

Nadie quiere factorizar números muy grandes. Eso es porque es muy difícil, incluso para las mejores computadoras del mundo de hoy. De hecho, la dificultad de factorizar grandes números es la base de gran parte de nuestra criptografía actual. Se basa en problemas matemáticos que son demasiado difíciles de resolver. El cifrado RSA, el método utilizado para encriptar su número de tarjeta de crédito cuando hace compras en línea, depende por completo del problema del factorización. El sitio web desde el que desea comprar le proporciona una gran clave "pública" (a la que cualquiera puede acceder) para codificar la información de su tarjeta de crédito.

Esta clave en realidad es el producto de dos números primos muy grandes, conocidos solo por el vendedor. La única forma en que cualquiera puede interceptar su información es conocer esos dos números primos que se multiplican para crear la clave. Dado que la factorización es muy difícil, ningún intruso podrá acceder a su número de tarjeta de crédito y su cuenta bancaria estará a salvo.

Problemas de seguridad

No te preocupes: la criptografía clásica no está completamente comprometida. Aunque ciertos aspectos de la criptografía clásica se verían comprometidos por la computación cuántica, la mecánica cuántica también permite un nuevo tipo de criptografía altamente segura.

¿Qué se requiere para construir una computadora cuántica?

En pocas palabras: necesitamos qubits que se comporten de la manera que queremos. Estos qubits podrían estar hechos de fotones, átomos, electrones, moléculas o tal vez alguna otra cosa. Los científicos están investigando una gran variedad de ellos como posibles bases para las computadoras cuánticas. Pero los qubits son notoriamente difíciles de manipular, ya que cualquier perturbación hace que se caigan de su estado cuántico. La falta de coherencia es el talón de Aquiles de la computación cuántica, pero no es insuperable. El campo de la corrección de errores cuánticos examina cómo mantener la coherencia y combatir otros errores. Todos los días, los investigadores de todo el mundo están descubriendo nuevas formas de hacer que los qubits cooperen.

Entonces, ¿cuándo habrá una verdadera computadora cuántica?

Depende de tu definición. Ya hay computadoras cuánticas, pero no tienen la potencia suficiente para reemplazar las computadoras clásicas. Si bien las tecnologías cuánticas prácticas ya están surgiendo, incluidos los sensores, actuadores y otros dispositivos altamente efectivos, una verdadera computadora cuántica que supere a una computadora clásica aún está a años de distancia.

Los teóricos están continuamente descubriendo mejores formas de mejorar la coherencia, mientras que las investigaciones obtienen cada vez más control sobre el mundo cuántico a través de diversas tecnologías e instrumentos. El trabajo pionero que se está realizando hoy está allanando el camino para la próxima era cuántica.

¿Entonces la tecnología cuántica todavía está a años de distancia?

No, las tecnologías cuánticas ya están en uso.

Algunas ya están disponibles comercialmente, y se beneficiarán enormemente de nuevas investigaciones. Aunque una computadora cuántica en pleno funcionamiento es una meta a más largo plazo, se han realizado muchos descubrimientos fundamentales y prácticos en nombre de la computación cuántica.

Los sensores y actuadores cuánticos permitirán a los científicos navegar en el mundo de la nanoescala con notable precisión y sensibilidad. Dichas herramientas serán invaluables para el desarrollo de procesadores de información cuántica verdaderos. La revolución cuántica ya está en marcha, y las posibilidades que tenemos por delante son ilimitadas.