Promesas y hechos de la computación cuántica

En las últimas cinco décadas, los procesadores se han vuelto cada vez más rápidos y pequeños, pero los límites de la tecnología se acercan a su margen. Si la industria quiere seguir construyendo computadoras todavía más potentes, algo tiene que cambiar

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20 de enero de 2018 a las 05:00

Es todo cuestión de fascinantes promesas tecnológicas. Chips compuestos de luz, computadoras que funcionan a -260 grados, algoritmos que resuelven problemas 3.600 veces más rápido que los de las máquinas tradicionales, inteligencias artificiales que aprenden a la velocidad de un dios. Todo eso será, o sería, asunto para la computación cuántica, que se desarrolla lentamente hace tres décadas y se estudia también en Uruguay.

La ley de Moore

La computación cuántica es el nombre popular de lo que, en ambientes científicos, se conoce como información cuántica. "Es la transmisión, almacenamiento y procesamiento hechos con una computadora cuántica", explicó Adriana Auyuanet, docente del Instituto de Física de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de la República. "Es un campo que une varias disciplinas, desde la matemática y la física hasta la teoría de la computación", añadió.

Todo empieza con la llamada ley de Moore. Gordon Moore, el ingeniero estadounidense que cofundó Intel, afirmó en 1965 que la cantidad de procesadores en un circuito integrado se duplicaría cada año. Luego revisó este postulado y afirmó que se duplicaría cada dos años, cosa que efectivamente ocurrió a lo largo de las siguientes décadas gracias a que los circuitos se hicieron cada vez más pequeños y poderosos.

Se habla de que, desde 2012, esta realidad se ha ido desacelerando y para que se recupere el ritmo será necesario apelar a circuitos construidos con otros materiales que no sean silicio ni sus aleaciones. Intel e instituciones como el MIT y la Universidad de Texas trabajan sobre esto.

"Lo que sucede es que ahora llegamos a lugares adonde antes no llegábamos y trabajamos a escalas mucho más pequeñas. En la vida cotidiana no ves casos en los cuales no valgan las leyes de Newton, pero si te vas al mundo microscópico no funcionan; lo que vale es la mecánica cuántica. Allí las leyes de comportamiento son otras", relató Auyuanet.

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Breve introducción a la física cuántica

La mecánica cuántica es la física desarrollada a lo largo del siglo XX que complementa a la física tradicional, que es la que se enseña en primaria y secundaria y que rige a los objetos a partir de cierto tamaño. La cuántica es la física que funciona en lo que es infinitamente pequeño, en lo que es la diezmillonésima parte de un milímetro, es más bien probabilística y requiere cierto grado de abstracción para ser entendida.

La mecánica clásica gobierna la mayor parte del mundo que podemos ver con nuestros propios ojos, como lo que pasa cuando un auto choca contra un edificio o qué trayectoria sigue una pelota a ser lanzada. La mecánica cuántica, en cambio, describe el universo subatómico, es decir, el comportamiento de los protones, los electrones y los fotones. Las leyes de la mecánica cuántica son muy diferentes de las de la mecánica clásica y pueden tener resultados inesperados y contrarios a la intuición, como la idea de que un objeto pueda tener masa negativa.

"Todas las cosas que predice esta mecánica no las vemos al tomar objetos cotidianos", sostuvo Auyuanet. "Si mido una mesa una y otra vez, obtendré la misma medida; pero si lo hago en el mundo cuántico, eso no va a suceder", explicó.

En la vida corriente, estamos acostumbrados a que las cosas existan en un estado definido. Por ejemplo, una lamparita está encendida o apagada. Pero en el universo cuántico, los objetos pueden existir en lo que se denomina una superposición de estados. A nivel atómico, una hipotética bombilla podría estar apagada y encendida al mismo tiempo.

Un cúbit, o bit cuántico, es la unidad básica de información para estos sistemas, como un bit lo es para la computación clásica. Un bit representa un cero o un uno (pero nunca ambos al mismo tiempo), pero un cúbit contiene a los dos, de modo que dos cúbits pueden representar cuatro valores simultáneamente y 50 cúbits pueden representar 100.000 millones de valores a la vez. Este poder de cálculo solo se ha alcanzado en simulaciones, aunque las compañías dicen que están muy cerca de conseguirlo con sus computadoras cuánticas.

En comparación, hoy en día las computadoras portátiles tienen varios gigabytes de memoria RAM. Un gigabyte equivale a 1.000 millones de bits clásicos.

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Barrera tecnológica

Pero para todo esto hay una barrera tecnológica: "Hay que controlar la interacción con el ambiente. Mientras esto no sea posible, los sistemas cuánticos terminarán comportándose como sistemas clásicos y se perderán todas las ventajas que estos sistemas aportan con respecto a la computación clásica", dijo Auyuanet.

Las propuestas para microchips basados en mecánica cuántica son distintas. Hay algunos que apelan a sistemas ópticos cuánticos, otros a cavidades ópticas, a trampas de iones, a la resonancia magnética nuclear o que se apoyan en semiconductores.

El español Jorge Franganillo, doctor en información y comunicación, aseguró que, en la práctica, las computadoras cuánticas no son útiles para las actividades cotidianas que se realizan con computadoras y celulares tradicionales. "El extraño comportamiento de los cúbits requiere programas informáticos dedicados", aseguró en una nota publicada en la web ThinkEPI.

"Mi intuición es que solo se encontrarán aplicaciones cuánticas útiles una vez que construyamos máquinas cuánticas que puedan ser utilizadas por las personas que conocen los problemas difíciles en logística, mercados económicos, reconocimiento de patrones y modelado de materiales", dijo Christopher Monroe, profesor de la Universidad de Maryland


"Si el ordenador cuántico estuviese generalizado en la actualidad, sería incapaz de realizar dos tareas distintas como, por ejemplo, buscar información en una base de datos y descomponer un número en factores primos. Y aunque un ordenador cuántico puede manejar otros algoritmos, no son la clase de algoritmos que resultarían útiles para nuestra vida diaria. A falta de algoritmos dedicados, la singularidad de los cúbits condena al ordenador cuántico a convertirse en una máquina tan 'lenta' como un ordenador convencional, o quizá más", expuso.

Christopher Monroe, profesor de la Universidad de Maryland y especialista en teoría de la información cuántica, dijo al MIT Technology Review que cree que en los próximos 5 o 10 años habrá máquinas suficientemente poderosas como para tener "aplicaciones útiles".

"Mi intuición es que solo se encontrarán aplicaciones cuánticas útiles una vez que construyamos máquinas cuánticas que puedan ser utilizadas por las personas que conocen los problemas difíciles en logística, mercados económicos, reconocimiento de patrones y modelado de materiales", dijo.

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Las leyes de la mecánica cuántica se pueden emplear para diseñar sistemas más seguros que sus equivalentes clásicos en muchos sentidos. Por ejemplo, la distribución cuántica de claves permite que dos partes compartan un secreto con el que no podrá hacerse ningún entrometido, tanto si utiliza una computadora clásica como una cuántica. Es posible que en el futuro estos sistemas lleguen a ser útiles, bien de manera general o en aplicaciones más especializadas. En todo caso, un reto decisivo es conseguir que funcionen en el mundo real y a grandes distancias.

La meta que más se publicita es la de la llamada supremacía cuántica, que es el punto en el que una computadora cuántica empezaría a realizar cálculos mucho más complejos que los que hace una computadora tradicional. Ese punto de supremacía se alcanzaría después de los 49 cúbits.

Actualmente el ordenador cuántico de IBM tiene 16 cúbits, y Google ha prometido una computadora cuántica de 49 cúbits. Un reciente artículo de la prestigiosa revista científica Nature decía que esta carrera se ha empantanado, ya que hay que tener en cuenta diversos factores para medir lo que realmente sería esa supremacía, o sea, el momento en que se sobrepase la computación tradicional.

"No creo que la supremacía cuántica represente una marca mágica que alcancemos para cantar victoria", decía el físico teórico Jay Gambetta, de la IBM. Edwin Pednault, otro investigador de IBM, concluía que la supremacía cuántica "no debe ser malinterpretada como el momento en que la computación cuántica empiece a tener un impacto económico y social. Todavía hay mucha ciencia y trabajo duro por delante".



Experimentos


Big data: El exponencial poder de cálculo de la computación cuántica interesa al tratamiento de grandes volúmenes de información.

Química: Acelerará la investigación de nuevos medicamentos, materiales y componentes físicos.

Machine Learning: Las computadoras cuánticas acelerarán el proceso de aprendizaje de la inteligencia artificial.

Criptografía: La criptografía cuántica utiliza principios de la mecánica cuántica para garantizar la absoluta confidencialidad de la información transmitida.
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