Para que las computadoras pudieran realizar diferentes tareas a la vez se ha tenido que mejorar su capacidad de procesamiento . Sin embargo, lo que tienen en común los modelos antiguos con los actuales es que realizan cálculos usando el sistema binario , lenguaje para codificar y procesar información que, a pesar de su alto rendimiento, presenta limitantes para resolver algunas operaciones en simultáneo y alcanzar el poder de cómputo capaz de modelar procesos de la naturaleza.
“Las computadoras portátiles de alto rendimiento , servidores de Internet y smartphones , hacen muchas cosas pero hay algunas que no hacen bien en absoluto y no hay razón por la que deberían hacerlo. La gente asume que si un equipo es más rápido hará cualquier cosa pero eso no es cierto; solo podemos aproximarnos a algunos procesos con la computadora clásica. Sin embargo, existe un tipo de informática que puede aproximarse mejor para resolver esos problemas: el cómputo cuántico”, planteó el doctor Robert Sutor , experto en cómputo cuántico y vicepresidente de investigación en IBM.
El doctor Sutor explicó que las computadoras clásicas son malas para modelar procesos que se presentan en la naturaleza. Por lo que ha sido necesario trabajar en el desarrollo del cómputo cuántico que tiene como unidad básica al qubit o bit cuántico ; mientras que el cómputo clásico está basado en el bit : unidad de medida de información que equivale a la selección entre dos alternativas (0 y 1) que tienen el mismo grado de probabilidad, pero que no será suficiente para resolver los retos que están por presentarse, afirmó.
“Una vez que se empieza a trabajar con qubits uno tiene dos dimensiones, es decir, el valor del qubit podrá ser cualquier punto de la superficie de una esfera; hay más espacio porque hay dos dimensiones. En cuanto se ve el valor de los qubits brincará de inmediato al norte o sur, lo cual se conoce como superposición. Aunque, el verdadero potencial es cuando se agregan qubits. Son dispositivos analógicos , pero demuestran capacidades de mecánica cuántica”, explicó el doctor Robert.
Con los qubits es posible almacenar más información que en el sistema binario gracias a que se pueden superponer estados, es decir, realizar varias tareas de manera simultánea con mayor rapidez, del mismo modo que lo hace una partícula cuántica. Por esto, el doctor Octavio Valenzuela, investigador del Instituto de Astronomía de la UNAM , dijo que un sistema de varios qubits puede explorar muchas posibilidades casi al mismo tiempo, mientras que una computadora clásica lo tendría que hacer una por una. “De ahí viene la gran ventaja en velocidad. Utilizando las leyes de los sistemas a nivel microscópico del mundo cuántico, es posible hacer cálculos muy acelerados”, agregó.
El investigador Sutor comentó que en IBM les llevó 15 años crear qubits , que pasaron de ser un proyecto científico a ser tecnológico. Agregó que un qubit no dura para siempre, aunque es posible que más adelante se pueda aumentar su tiempo de vigencia y reducir el número de errores, pues actualmente su almacenamiento requiere una temperatura de menos de 273 grados centígrados, y estabilidad que no sea perturbada con ruido o vibraciones, dado que, como cualquier otra partícula cuántica, se alteran y se destruyen cuando interaccionan con el ambiente.
Posibles beneficios del cómputo cuántico. Octavio Valenzuela planteó que, como toda investigación básica “uno desarrolla cosas y a veces no se imagina el gran beneficio que se llegará a obtener”. Sin embargo, prevé algunos avances, por ejemplo, en química, algunas reacciones y análisis que hoy se hacen en laboratorio se harán en una computadora cuántica para diseñar medicamentos y productos químicos complejos de manera virtual, para después sintetizarlos y encontrar la manera más barata para producirlos.
La optimización es otro beneficio de los sistemas cuánticos. El investigador del Instituto de Ciencias Nucleares, Lukas Nellen, ejemplificó que la movilidad en las ciudades inteligentes podrá ser optimizada. “Hay muchas cosas en ciencia básica que no podemos aún imaginar porque es una nueva tecnología y siempre hay sorpresas. Cuando nació la web nadie tenía la visión de cómo la usamos ahora. Tenemos algunas ideas que serán motivación para desarrollar nuevas aplicaciones”.
El doctor Sutor coincide en que la computación cuántica podría ser útil para la optimización del tráfico al analizar constantemente cómo circulan las personas sobre las autopistas. Además de favorecer la logística para mover mercancías.
Sin embargo, tendremos que esperar aproximadamente cinco años para que las computadoras cuánticas muestren una ventaja considerable sobre las computadoras clásicas. Por ahora esta tecnología se encuentra en una fase inicial de desarrollo en la que diferentes compañías están trabajando para materializar las diversas aplicaciones de los sistemas cuánticos.
El investigador Kellen comentó que el cómputo cuántico por ahora se centra en la creación de computadoras . “Tenemos equipos que pueden calcular con algoritmos nuevos de modo más rápido, pero no tenemos almacenamiento cuántico . En la etapa inicial de la computación se podían hacer cálculos, pero la memoria era una cinta de papel . Así, hoy tenemos la unidad de procesamiento, pero hace falta la tecnología para que el cómputo cuántico se aplique a problemas específicos”.
Es necesario el trabajo en equipo para lograr avanzar. El especialista Sutor , dijo que es posible que las startups enfocadas al cómputo cuántico puedan trabajar en conjunto con grandes empresas. “Los aliento para que tomen clases, pero también a que trabajen independientemente de lo que hacen en las universidades para convertirse en expertos en cuántica”.
Los investigadores coinciden en que la resolución de problemas va a requerir una combinación de muchas tecnologías y diferentes tipos de software y hardware.
“La estrategia es que se creen sistemas híbridos que, para la parte que sea óptima , trabajen con aceleradores cuánticos , y para la memoria trabajen de manera clásica. Se trata de obtener lo mejor de cada tipo de cómputo . Aunque se está investigando la posibilidad de tener memorias cuánticas”, planteó Valenzuela.
Carrera cuántica. En los últimos cinco años, cuatro de las compañías tecnológicas más importantes a nivel mundial han comenzado a trabajar para desarrollar tanto el hardware como el software que haga posible el cómputo cuántico para resolver problemas matemáticos complejos. IBM, Microsoft , Google e Intel han iniciado una carrera cuántica en la que cada una aporta los más grandes avances.
En el caso de IBM cuenta el proyecto IBM Q : una comunidad global de compañías Fortune donde 500 líderes, startups, instituciones académicas y laboratorios de investigación, trabajan para avanzar en la computación cuántica y explorar aplicaciones prácticas.
En 2016, IBM desarrolló una plataforma de computación cuántica, disponible a través de IBM Cloud , para que estudiantes, científicos y entusiastas pudieran ejecutar algoritmos y experimentos en sus computadoras de cinco y 16 qubits . Hasta ahora más de 88 mil personas han usado las computadoras y se han realizado 4.5 millones de experimentos.
Por su parte, Microsoft cuenta con el matemático Michael Freedman en su grupo de investigación teórica. Él es conocido por su investigación fundamental sobre un campo oscuro de las matemáticas llamado topología. Así colocó a Microsoft en el camino hacia el desarrollo del primer qubit topológico, un tipo robusto de bit cuántico que consideran será útil como base para un sistema de cómputo cuántico de uso general y escalable.
De acuerdo con Allison Linn , escritora y editora senior de contenido multimedia en Microsoft, el plan implica entregar un sistema de cómputo cuántico topológico integral. Eso incluye desde el hardware capaz de realizar cálculos de manera consistente, lo que requiere decenas de miles de qubits lógicos, hasta una pila entera de software que pueda programar y controlar la computadora cuántica.
Mientras que Google , desde Google Quantum AI Lab, creó una técnica de corrección de errores cuánticos (QEC) que mostró en un sistema con nueve qubits. El QEC verifica combinaciones de datos y qubits de medición, lo que permite que el sistema mida indirectamente la información sin afectarla , ya que medir un qubit directamente colapsaría los estados de enredo y superposición, eliminando los elementos cuánticos que lo hacen útil.
Además, la compañía trabaja en su último prototipo de chip Bristlecone, que cuenta con 72 qubits. Estos están dispuestos en una matriz cuadrada y obtienen su naturaleza cuántica mediante superconductividad , lo que les permite representar múltiples estados al conducir la corriente en dos direcciones a la vez.
Asimismo, Intel anunció el nuevo chip Spin Qubit que no contiene transistores, los interruptores de encendido y apagado base de los dispositivos de computación actuales, sino qubits que pueden contener un solo electrón que, de acuerdo con la empresa, puede estar en múltiples estados de giro al mismo tiempo para ofrecer un poder de cómputo mucho mayor, la base de la computación cuántica.
Las computadoras cuánticas permitirán conocer la complejidad de las interacciones moleculares y químicas para descubrir nuevos medicamentos y materiales. También brindarán la posibilidad de modelar átomos que tengan varios electrones.
El cómputo cuántico permitirá encontrar el camino óptimo en los sistemas globales de cadenas de suministro y logística para lograr alta eficiencia. Por ejemplo, se podrán optimizar las operaciones de flota para entregas en temporadas altas como la de fin de año.
Las ciudades inteligentes van a demandar mayor optimización de los datos , en específico para manejar de manera adecuada el tránsito en las grandes urbes. El poder del cómputo cuántico ayudará a establecer una mejor logística para evitar problemas en las vialidades al mostrar rutas alternas en caso de accidentes o bloqueos.
Ahora que la gran mayoría de nuestra información está almacenada en la nube , se podrá reforzar la seguridad del cloud computing al implementar leyes de la física cuántica para mejorar la seguridad de los datos privados que corren el riesgo de ser vulnerados.
Debido a la necesidad de reforzar la ciberseguridad , la criptografía cuántica se perfila como una opción, pues los qubits permiten crear una clave cuántica (QKD, por sus siglas en inglés) casi imposible de descifrar, es decir, las claves se transmiten como fotones a lo largo de un cable de fibra óptico.
El aprendizaje de máquinas podrá ser mucho más potente y facilitar el análisis cuando los conjuntos de datos sean demasiado grandes. Por ejemplo, en la búsqueda de imágenes o video , las computadoras cuánticas transformarán la perspectiva de una tarea complicada.