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El ordenador cuántico: cuando el qubit se coma al bit

Por Mar Gulis (CSIC)

Ordenadores, discos duros, memorias, teléfonos inteligentes, tablets… Estamos acostumbrados a que los dispositivos informáticos sean cada vez más pequeños y potentes. Esta evolución ya fue descrita en los años 60 por Gordon Moore, uno de los fundadores de Intel, quien notó que el tamaño de estos dispositivos se reducía a la mitad cada 18 meses. De mantenerse esta tendencia, cosa que hasta ahora ha ocurrido en líneas generales, en pocos años habremos alcanzado la escala de las partículas atómicas.

Quantum machine

Máquina cuántica de un qubit desarrollada por Aaron D. O’Connell. / Wikipedia

El problema es que el comportamiento de estas partículas es muy distinto al que tienen los cuerpos en el mundo macroscópico, el que habitamos los seres humanos. Las poco intuitivas leyes que rigen el mundo de las partículas atómicas, definidas por la mecánica cuántica, nos obligan a transformar el modo en que transmitimos y procesamos la información. En la escala de los nanómetros, los electrones escapan de los canales por los que deben circular (efecto túnel) haciendo que los chips dejen de funcionar.

Sin embargo, lo que en principio se presenta como una desventaja abre un gran abanico de oportunidades, como la posibilidad de desarrollar ordenadores cuánticos con una capacidad de cálculo extraordinaria. La clave reside en utilizar uno de los fenómenos más desconcertantes del mundo cuántico, la superposición de estados, para sustituir la unidad mínima de información de la computación tradicional, el bit, por una nueva unidad con un potencial mucho mayor, el qubit o quantum bit. Aunque las implicaciones de este concepto son muy serias, el término fue acuñado de forma jocosa por su similitud fonética con el cubit inglés: el codo, una unidad de medida en desuso.

Vayamos por partes. Según la mecánica cuántica todas las partículas atómicas pueden estar en varios estados a la vez. Es la acción de medir algún parámetro (velocidad, posición, etc.) la que rompe la superposición y lleva a la manifestación de un estado determinado. Inspirados en la famosa paradoja de Schrödinger, podríamos decir que un gato cuántico encerrado en una habitación hermética junto a una trampa mortal, está vivo y muerto al mismo tiempo hasta que se abre la puerta del recinto. El acto de abrir la habitación –la observación o medida– es lo que hace que el gato asuma uno de los dos estados posibles: vivo o muerto.

Algo similar puede ocurrir con ciertos parámetros de las partículas cuánticas: aunque se encuentran en una superposición de estados, en el momento de la medición solo pueden adoptar uno de entre dos posibles. Esto sucede en ciertas ocasiones con el nivel energético de los átomos, la polarización de los fotones o el espín de los electrones –la dirección en la que ‘giran’ sobre sí mismos–. En el caso del espín, por ejemplo, al medir solo podemos encontrarlo hacia arriba –digamos arbitrariamente que esto significa que gira en el sentido de las agujas del reloj– o hacia abajo –girando en sentido contrario–.

Pues bien, las partículas con estas propiedades se comportan como qubits. El físico del CSIC Salvador Miret explica que, “a diferencia de un bit, que representa un 0 o un 1, un qubit puede transmitir esos dos estados y una variedad ilimitada de estados intermedios o de superposición”. En otras palabras, mientras que con un bit solo podemos decir si el gato está vivo (0) o muerto (1), un qubit puede albergar el dato de que el gato está mitad vivo, mitad muerto; tres cuartos vivo, un cuarto muerto; o un 25,32% vivo y un 74,68% muerto… “Las posibilidades son infinitas porque los qubits no expresan magnitudes discretas, como los bits, sino continuas”, añade el investigador.

Sistema cuántico

Sistema de cuatro qubits desarrollado por IBM. / IBM

En consecuencia, el comportamiento de las combinaciones de bits y qubits también es muy diferente. Si con un bit podemos expresar dos estados (0 y 1), con dos podemos expresar cuatro (00, 01, 10 y 11) y con tres, ocho (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111). Por cada bit que añadamos a la cadena el número de posibilidades se incrementará de forma exponencial. Ahora bien, aunque el número de posibilidades puede llegar a ser enorme, siempre será finito.

Los grupos de qubits no solo permiten albergar una infinidad de valores sino que hacen que la capacidad de procesar información de forma simultánea crezca exponencialmente gracias a la superposición y al entrelazamiento cuánticos –también llamado correlación–. Teóricamente con un qubit podríamos hacer al menos dos operaciones paralelas; con dos, cuatro; con tres, ocho; y así sucesivamente. Esto supone una importante novedad con respecto a la informática tradicional, que hasta hace relativamente poco tiempo afrontaba las operaciones de modo lineal y no ofrece la misma capacidad de los qubits para trabajar de forma simultánea.

Imaginemos, por ejemplo, que queremos encontrar la salida a un enorme laberinto. La computación clásica tendría que procesar los distintos caminos uno por uno o en pequeños grupos hasta encontrarla, mientras que la computación cuántica nos permitiría probar miles de caminos en un solo segundo. Así, un ordenador cuántico de 30 qubits equivaldría a un procesador de 10 teraflops (10 millones de millones de operaciones por segundo), cuando los ordenadores actuales trabajan en el orden de los gigaflops (miles de millones de operaciones). Los investigadores estiman que con 60 bits cuánticos podría construirse un ordenador más potente que todos los ordenadores clásicos de la Tierra.

Llegados a este punto, es inevitable preguntarse por qué no existe aún el ordenador cuántico. La principal dificultad es lograr que las partículas interactúen entre ellas sin interferencias del entorno. La interacción no controlada con otras partículas destruye las propiedades cuánticas de las partículas haciendo que se rompa la coherencia (decoherencia) y que, entre otras cosas, abandonen la superposición de estados; por lo que resulta imposible obtener resultados que vayan más allá de lo que se conseguiría operando con bits.

 

Si quieres más ciencia para llevar sobre este tema consulta el libro Mecánica cuántica (CSIC-Catarata), de Salvador Miret, y la revista LYCHNOS, Cuadernos de la Fundación General CSIC.

14 comentarios

  1. Dice ser antihielo

    me gusta más cuando los porcentajes de dos sucesos complementarios suman 100.00%, no como “un 25,32% vivo y un 74,78% muerto”

    08 Septiembre 2015 | 10:31

  2. Dice ser skalo75

    Exactamente … ¿Qué sistema físico se comporta como Qubit al 100%?
    RESPUESTA: Ninguno.

    08 Septiembre 2015 | 10:52

  3. Mar Gulis (CSIC)

    Calma, amigos, que ya hemos corregido el desliz. ¡Gracias por leernos con tanta atención!

    08 Septiembre 2015 | 11:23

  4. Dice ser Yomismo

    Yo creo que ya habrá algún ordenador cuántico funcionando por ahí.

    Seguramente con tecnología secreta en ámbitos militares o científicos muy restringidos.

    08 Septiembre 2015 | 11:41

  5. Dice ser lunaticko

    Nuestro cerebro no es un ordenador cuantico?

    08 Septiembre 2015 | 12:01

  6. Dice ser antihielo

    Valar Mar Gulis

    08 Septiembre 2015 | 12:37

  7. Dice ser Ninji

    [En otras palabras, mientras que con un bit solo podemos decir si el gato está vivo (0) o muerto (1), un qubit puede albergar el dato de que el gato está mitad vivo, mitad muerto; tres cuartos vivo, un cuarto muerto; o un 25,32% vivo y un 74,68% muerto… ]

    En otras palabras, estan usando datos analógicos que pueden tomar cualquier valor. El tema de la “superposición de estados”, no sé a que te refieres con eso, pero para mi, rompe con las leyes de la física. La incertidumbre es algo que nosotros tenemos, la materia se encuentra en un estado aunque nosotros no seamos conscientes de ello.

    08 Septiembre 2015 | 12:42

  8. Dice ser Victor

    El primer PC cuantico ya se ha fabricado por Google y la NASA.
    http://actualidad.rt.com/ciencias/view/112093-ordenador-cuantico-nasa-google

    08 Septiembre 2015 | 12:47

  9. Dice ser Warp

    @Ninji; Yo he pensado lo mismo, ¿han converitdo lo analógico en digital?

    La razón de usar lo digital es que resulta muy, muy fácil con electrónica representar unos y ceros, incluso muchísimos a la vez. En cambio, representar en una unidad de información 10 valores del 0 al 9 requiere mucha más circuitería, precisión y tiempo.

    He leído antes sobre la informática cuántica y de momento lo veo como carne de Muy Interesante, de paraciencia. Una partícula tiene infinitos estados pero ¿cómo trasladas eso a un algoritmo útil?

    Cuando se empezó a usar el paralelismo en los ordenadores (varios procesadores funcionando en conjunto, como un equipo) los expertos se dieron cuenta que tenían una tecnología muy chula pero que el cerebro humano no está diseñado para pensar en paralelo. Aunque lo hace, para nosotros las cosas son secuenciales: una después de otra. No supieron cómo romper esta barrera y trasladarlo a algoritmos, así que el genuino procesamiento paralelo se redujo a tener varios programas independientes corriendo en procesadores simultáneos. Tienes cuatro núcleos pero como mucho cada uno se dedica a una sola tarea, cuando lo ideal es que los cuatro colaboren en la ejecución de la misma tarea.

    Aquí sospecho que a los problemas técnicos de medir el estado de partículas se añade la aún mayor dificultad de crear lenguajes y programas que puedan usar estos estados infinitos.

    08 Septiembre 2015 | 13:41

  10. Dice ser Leonardo

    Estamos apañados, un ordenador con el margen de la duda.

    ¿La operación es correcta, sí o no? Respuesta Q-bit: quizás o tal vez.

    Principios del razonamiento Manchine; ante la misma situación ningún resultado será igual porque las variables V elevadas a N números de interpretaciones Q nos darán las aperturas de sucesos e incertidumbres modificados X exponencialmente en un proceso recursivo.
    Neuronas sintéticas al fin y al cabo, con sinapsis cuánticas.

    Yo quiero uno de esos, para hablar del Gobierno.

    08 Septiembre 2015 | 13:51

  11. Dice ser Erick

    7.Ninji, no, justamente eso es lo que Einstein quiso demostrar por mucho tiempo y no pudo (creo que por esto dijo la famosa frase “dios no juega a los dados”), y luego se pudo demostrar por experimentacion que realmente el elemento no tiene la propiedad hasta que alguien o algo la observa…

    08 Septiembre 2015 | 14:22

  12. Dice ser Albert

    Nuestra mente es cuántica. Nosotros mismos somos robots cuánticos y no lo sabemos (Creencia personal).

    08 Septiembre 2015 | 14:35

  13. Dice ser Sicólogo Astral

    ¿Y “cuantico” cuesta esa mierdica?

    08 Septiembre 2015 | 18:38

  14. Dice ser pendra

    Que pasa como que no hay nada cuantico , que me dicen de el d-wave

    09 Septiembre 2015 | 16:13

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