La era de los ordenadores atómicos

Hace solo unos días, IBM anunció al mundo que ya tiene listo su primer computador cuántico con fines comerciales. El potencial de esta tecnología es tan vasto que no son pocos los investigadores que sostienen que está llamada a transformar industrias completas y desatar una nueva era de innovación global. Pero no todo son bondades a su alrededor. Muchos de los problemas técnicos asociados a su desarrollo están aún por resolver, lo que abre incógnitas sobre su desembarco en el mercado


Decano del Colexio Oficial de Enxeñeiros de Telecomunicación de Galicia

Un ordenador cuántico es un ordenador que aprovecha algunas propiedades de la mecánica cuántica para conseguir grandes aumentos de potencia en el procesamiento. Después de muchos años en el papel, y tras décadas de progresos graduales, por fin parece que estas máquinas van a hacerse realidad de manera comercial: IBM anunció hace unos días que tiene listo un ordenador cuántico de propósito comercial; y Google publicó, días después, un artículo asegurando que había alcanzado lo que se ha llamado, con algo de teatralidad, la supremacía cuántica (el punto en el que un ordenador de estas características puede completar un cálculo matemático imposible para el superordenador más poderoso).

Estas máquinas cuánticas revolucionarán la producción de nuevos materiales al permitir hacer simulaciones del comportamiento de la materia a nivel molecular. Fabricantes de coches como Volkswagen y Daimler están usando ordenadores cuánticos para simular la composición química de las baterías de los vehículos eléctricos con el fin de encontrar nuevas formas de mejorar su rendimiento. Las compañías farmacéuticas aprovecharán estos ordenadores para analizar y comparar compuestos que podrían llevar a la creación de nuevos medicamentos. La inteligencia artificial también se beneficiará de la gran potencia de la computación cuántica.

La criptografía y la ciberseguridad que conocemos se verán desafiadas, gracias a su capacidad de descifrar códigos teóricamente indescifrables con las tecnologías actuales, puesto que pueden resolver en minutos cálculos que ahora tardarían en resolverse miles de años. Esto supondría un riesgo para cualquier sistema criptográfico conocido. Algunos analistas de mercado ya prevén un colapso de la criptomoneda más conocida (bitcoin) tras meses de crecimiento espectacular (superior al 250 % en seis meses), y uno de los principales culpables de ello es el ordenador cuántico de Google.

Las criptomonedas se fundamentan en tecnología blockchain, que a su vez está basada en la criptografía y la descentralización; la velocidad de computación de un ordenador cuántico podría romper una de las grandes ventajas de este sistema, que es la seguridad. Otro gran campo de aplicación serán las formas seguras de transmitir la información. El uso de los principios de la computación cuántica para la transmisión de los datos, mediante cubits y distribución de claves cuánticas, la comunicación cuántica, permite transmitir con un casi 100 % de seguridad. En la actualidad, China ya tiene un satélite en órbita capaz de comunicarse cuánticamente con la tierra.

Aparecerán muchas más aplicaciones que no nos imaginamos, y actualmente las comunidades de startups cuánticas están encantadas con los nuevos avances y proponiendo todo tipo de negocios, basados en una tecnología que apenas está naciendo.

Más allá del código binario

Pero, llegado a este punto, ¿qué es un ordenador cuántico? ¿qué lo hace diferente de los que hasta ahora conocemos? La informática que conocemos se basa en la física clásica y en la teoría de la información desarrollada por Claude Shannon en el MIT (Instituto de Tecnología de Massachusetts, EE. UU.) en la década de los 50. En ella, Shannon definió la cantidad de información bajo el concepto de los bits necesarios para almacenarla. Esos bits, los ceros y los unos del código binario, son la base de toda la informática convencional. Todo el mundo digital que conocemos, desde los tuits y correos electrónicos a las canciones de Spotify y videos de YouTube son, en esencia, largas cadenas de ceros y unos.

La computación cuántica nace en el año 1973, cuando uno de sus padres fundadores, Charles Bennet, ayudó con su trabajo en IBM a sentar las bases de una teoría de la información cuántica que consiste en explotar el comportamiento insólito que se produce a escala atómica. En ese tamaño, las partículas pueden estar simultáneamente en muchos estados a la vez: fenómeno de superposición cuántica. Además, estas partículas pueden estar entrelazadas con otras partículas, de modo que el cambio de estado de una afecta instantáneamente a otras por entrelazamiento cuántico.

Los ordenadores cuánticos almacenan la información en forma de bits cuánticos, cubits. Los cubits son partículas subatómicas, electrones o fotones, que gracias a la superposición y al entrelazamiento cuánticos logran que un grupo de ellos sea capaz de proporcionar mucha más potencia de procesamiento que la misma cantidad de bits. En un ordenador convencional, al duplicar el número de bits se duplica su capacidad de procesamiento; pero en un ordenador cuántico, al añadir cubits se obtiene un aumento exponencial de sus prestaciones.

No todo es jauja, y la mala noticia es que los ordenadores cuánticos son mucho más propensos a errores que los ordenadores convencionales debido fundamentalmente al ruido cuántico. El estado cuántico es tan frágil que la más leve vibración o cambio de temperatura (ruido) hacen que se salgan de su estado antes de que su trabajo se haya realizado correctamente. De ahí que los investigadores intenten proteger los cubits del mundo exterior mediante bajas temperaturas, cercanas a 0º K (-273 grados centígrados) o mediante campos electromagnéticos en cámaras de vacío. Por ello, generar y manejar los cubits constituye un enorme desafío científico y de ingeniería.

Manejo de cubits

El problema del ruido cuántico es tan grande que hay investigadores que defienden que las máquinas cuánticas nunca llegarán a ser realmente útiles, aunque la mayoría no está de acuerdo con esta teoría. A día de hoy la estadounidense Rigetti Computing ostenta el récord en número de cubits generados: 128.

Aparte de la complejidad de los ordenadores cuánticos, es imprescindible la existencia de lenguajes de programación de alto nivel que liberen a los desarrolladores de tener que entender cómo funciona exactamente un ordenador cuántico. Estos lenguajes deben tener en cuenta el hecho de que las máquinas cuánticas usan cubits y no bits.

No quiero finalizar sin hablar del posicionamiento de los distintos países en la computación cuántica. Se está librando una dura batalla para ser líderes en el mundo cuántico, en la que tanto Estados Unidos como China han invertido miles de millones de euros para el desarrollo de sistemas de computación cuánticos, a los que se suman las compañías líderes: IBM, Google, Microsoft, Intel y Alibaba, así como startups (Rigetti Computing, Quantum Circuits...). Europa ha reaccionado tarde, y en el 2016 puso en marcha una iniciativa de investigación por valor de 1.000 millones de euros, llamada Quantum Technology Flagship, con la que quiere recuperar una posición de gran retraso ahora mismo. A este plan se le acusa de falta de ambición si se compara con el trabajo en otros lugares del mundo, aunque son destacables los trabajos en los ámbitos del control y software cuánticos, que podrían actuar como palanca para elevar la posición europea.

Aún pasarán años hasta que los ordenadores cuánticos alcancen su madurez, ya que se necesitan investigadores especializados, así como componentes clave para que estos sistemas funcionen correctamente. Pero si estos nuevos ordenadores cumplen con su promesa, podrían transformar industrias enteras e impulsar la innovación global.

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