La enciclopedia WIRED para la computación cuántica

La computación cuántica está a punto de generar el mayor aumento de rendimiento en la historia de la tecnología. La idea detrás de esta revolución busca derribar algunas barreras que limitan la velocidad de las máquinas actuales, aprovechando las leyes de la física en el mundo subatómico.

Este salto no significa que tendrás una computadora cuántica en el bolsillo, pero sí permitirá avanzar en muchas áreas de la ciencia y la tecnología, desde lograr baterías más duraderas para vehículos eléctricos hasta desarrollar nuevos tratamientos médicos. En el pasado, WIRED preparó una guía para entender qué es la computación cuántica; en esta ocasión, traemos una enciclopedia con lo más indispensable para comprender a fondo esta invención que tiene a todo Silicon Valley a la expectativa.

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Términos básicos de la computación cuántica

Cuando la energía se divide en unidades cada vez más pequeñas, adquiere un valor discreto que no puede dividirse más. Esta unidad más pequeña se denomina quantum o ‘cuanto’ de energía, y la ‘cuantificación’ es el proceso mediante el cual tales propiedades se manifiestan en un sistema físico. Aunque el concepto se utilizaba originalmente de forma adjetiva, y no como un término independiente, ahora se emplea como sustantivo: “término genérico para pequeñas partículas cuantificadas”, como los átomos y los electrones.

Ilustración: Rodrigo Meade

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Las leyes físicas básicas que rigen el mundo en que vivimos se denominan mecánica clásica, o física clásica, y hasta el siglo XIX podían explicar todos los fenómenos que nos rodeaban. Sin embargo, a partir del siglo XX, la humanidad adquirió la tecnología necesaria para observar el mundo microscópico, lo que permitió descubrir, uno tras otro, comportamientos que la mecánica clásica no podía explicar. La nueva interpretación para entender estos fenómenos es la mecánica cuántica, o física cuántica.

Ilustración: Rodrigo Meade

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Es un estado que solo se permite dentro de las reglas de la mecánica cuántica. En un estado de superposición, el objeto no está fijado en un valor determinado para ninguna cantidad física, como la energía, la posición o la dirección del momento angular cuántico (espín), y solo puede describirse como una superposición de múltiples valores en un “estado de probabilidad”. Además, el estado de superposición es extremadamente sensible. Independientemente de si hay intención o no, se rompe por una “intervención externa” y se fija en un valor único.

Ilustración: Rodrigo Meade

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Romper el estado de superposición y extraer un único valor a veces se expresa como “observación”. A principios del siglo XX, la mecánica cuántica que describe “comportamientos contrarios a nuestra intuición”, como la superposición y la medición, fue considerada incompleta debido a experimentos mentales como “el gato de Schrödinger” y “el amigo de Wigner”. Sin embargo, los investigadores continúan poniendo a prueba la mecánica cuántica tanto desde el punto de vista teórico como experimental. Actualmente, se considera una teoría que no se descompone.

Ilustración: Rodrigo Meade

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Cuando se miden múltiples cuantos, los resultados pueden estar siempre relacionados por entrelazamiento; esta correlación entre múltiples cantidades se denomina entrelazamiento cuántico. Independientemente de la distancia entre los cuantos, una vez que se produce, se mantiene. Por este motivo, Einstein lo criticó como una “espeluznante acción a distancia” y negó su existencia. No obstante, una serie de estudios galardonados con el Premio Nobel de Física en 2022, demostraron que el entrelazamiento cuántico sí existe.

Ilustración: Rodrigo Meade

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Ilustración: Rodrigo Meade

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En la mecánica clásica, si se sabe con exactitud el estado inicial de un sistema, se puede conocer perfectamente el estado futuro a través de la “ecuación del movimiento”. En otras palabras, la idea de que el futuro está determinado. Por su parte, en la mecánica cuántica se representa mediante una “función de onda”, el estado futuro no está determinado hasta que se realiza una medición. Esta interpretación de la mecánica cuántica se consideró incompleta en el momento de su publicación e incluso llevó a Einstein a decir que: “Dios no juega a los dados”.

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Es la esfera virtual utilizada para ilustrar el estado de superposición de un determinado sistema cuántico. Se emplea en el campo de la información cuántica, donde los estados también contienen información. Existen otras formas de describir los estados cuánticos, como la notación de corchetes y las matrices, pero la esfera de Bloch tiene la ventaja de ser fácil de entender visualmente. Resulta especialmente útil en el contexto de las computadoras cuánticas, ya que permite expresar de forma concisa el estado de un solo bit cuántico o qubit. Su nombre procede del físico suizo y Premio Nobel de Física, Felix Bloch.

Ilustración: Rodrigo Meade

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Historia de la computación cuántica

Con su lema: “La información es física”, Rolf Landauer aportó una nueva perspectiva a la física, demostrando que la información genera calor cuando se borra, y aclarando la estrecha relación entre información y física. También contribuyó al desarrollo de las computadoras cuánticas. Señaló a Deutsch y a otros que hasta ahora la incapacidad de llevar a cabo la corrección de errores (→24) era una teoría vacía. Esto supuso una oportunidad para acelerar la investigación sobre la corrección de errores. Se le puede considerar la persona que preparó el terreno para el desarrollo de la primera computadora cuántica.

Ilustración: Rodrigo Meade

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Feynman, galardonado con el Premio Nobel de Física en 1965, es conocido por su extraordinaria visión de futuro. Fue uno de los primeros defensores de la simulación por computadora y, en una conferencia pronunciada en 1981 en el congreso Physics of Computation, afirmó: “La naturaleza no funciona según la mecánica clásica. Por eso, si se quiere simular la naturaleza, hay que hacerlo según la mecánica cuántica“. Esta afirmación, que predecía el valor de las máquinas cuánticas, inspiró a muchos físicos.

Ilustración: Rodrigo Meade

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Físico que creó la teoría básica de las computadoras cuánticas. En la década de 1980, físicos liderados por Landauer se centraron en “los fenómenos que hacen posible la computación”. Deutsch tuvo la idea de que tanto la mecánica cuántica como la mecánica clásica podían utilizarse para la física empleada en los cálculos, y consiguió ampliar la máquina de Turing basándose en la mecánica cuántica.

Ilustración: Rodrigo Meade

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Físico que ayudó a generar el actual “segundo boom de las computadoras cuánticas”. Aunque a mediados de los 90 y principios de los 2000 se hicieron muchas propuestas experimentales, manipular cuantos era demasiado difícil y las máquinas parecían inviables, así que el boom se apagó. En 2014, Martinis consiguió que cinco qubits superconductores funcionaran con un alto grado de precisión. Para aplicar la corrección cuántica de errores es necesario mantener la tasa de error por debajo de cierto nivel, pero él superó este requisito y demostró que la computación cuántica es una tecnología factible.

Ilustración: Rodrigo Meade

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Algoritmo cuántico ideado por el matemático Peter Shor en 1994. Demostró que una computadora cuántica podía realizar la factorización de números primos a gran velocidad. El cifrado RSA (Rivest, Shamir y Adleman), muy utilizado por ser “difícil factorizar números grandes” en una computadora clásica, fue temido debido al riesgo de ser descifrado por una máquina cuántica. Esta preocupación llevó a revaluar la utilidad de las computadoras cuánticas, que entonces no habían atraído demasiado la atención.

Ilustración: Rodrigo Meade

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Einstein afirmaba que la mecánica cuántica era una teoría incompleta porque la “espeluznante acción a distancia” del entrelazamiento cuántico contradecía el realismo, y coeditó la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) en 1935. En 1964, John Stewart Bell publicó la desigualdad de Bell, que debería cumplirse si existen variables ocultas; y en 1982, Alan Aspe demostró que esta desigualdad podía romperse experimentalmente. El Premio Nobel de Física se concedió a Aspe y a sus colegas en 2022 por sus experimentos de verificación del entrelazamiento cuántico, que “fueron pioneros en la ciencia de la información cuántica”.

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Conceptos tecnológicos de la computación cuántica

Unidad básica de información en una computadora cuántica que, además de ser 0 o 1, también adopta un “estado de superposición” de ser tanto 0 como 1. Esto significa que si hay n qubits, estos pueden tener 2n valores diferentes al mismo tiempo. Sin embargo, en el proceso de “medición” solo se puede recuperar un valor, que es el resultado del cálculo. En el estado de superposición, se puede manipular la probabilidad que determina si es más probable medir 0 o 1, y la computadora cuántica procede con el cálculo mientras manipula esta probabilidad.

Ilustración: Rodrigo Meade

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Una computadora cuántica que utiliza el “propio circuito eléctrico” como bit cuántico. En la superconductividad, que se produce a temperaturas extremadamente bajas, se crea un estado cuántico mediante un grupo de pares de electrones o pares de Cooper, que fluyen en un circuito. Las microondas se utilizan para manipular este estado cuántico. Muchas empresas, entre ellas Google e IBM, llevan a cabo actividades de investigación y desarrollo, y hasta ahora son el método más avanzado. La ventaja es que las características pueden ajustarse mediante el diseño del circuito. Los retos para los sistemas a gran escala son el manejo del cableado y la mejora de la eficiencia del sistema en su conjunto.

Ilustración: Rodrigo Meade

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Computadora cuántica que utiliza iones, átomos cargados positivamente a los que se les ha quitado un solo electrón para crear bits cuánticos. Los iones se atrapan en un recipiente al vacío mediante una “trampa iónica”, que atrapa las partículas cargadas en el espacio utilizando la fuerza eléctrica. Las empresas Quantinuum e IonQ lideran la investigación y el desarrollo de este método. RIKEN y Quantinuum tienen en marcha un proyecto para utilizarlo junto con supercomputadoras. Los puntos fuertes de este método son su gran precisión en el funcionamiento de la puerta y su largo tiempo de coherencia (→30), el problema es que resulta difícil aumentar el número de qubits. Se considera necesario establecer tecnología para conectar dispositivos entre sí.

Ilustración: Rodrigo Meade

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Una computadora cuántica que utiliza “átomos” como qubits. El término “neutro” significa eléctricamente neutro y se utiliza para distinguirlo del método de trampa de iones, con el que se han obtenido resultados anteriores. El sistema se está desarrollando en QuEra Computing, el MIT y el Instituto de Ciencia Molecular de Japón. Su punto fuerte es su alta conectividad, que permite mover los átomos libremente durante los cálculos. Al llegar tarde con respecto a otros métodos, las tecnologías periféricas son inmaduras. La clave está en si pueden crecer juntas.

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Método para realizar bits cuánticos mediante la formación de un punto cuántico en un sustrato semiconductor que confina un solo electrón y asigna 0 y 1 a la dirección del espín del electrón. Las ventajas son que se puede aplicar una tecnología de semiconductores madura y que los puntos cuánticos solo miden unos pocos nm y pueden integrarse a gran escala. La tecnología para controlar un solo electrón supone un gran reto, y es necesario establecer un método para llevar a cabo el transporte de electrones y puertas de dos qubits con gran precisión.

Ilustración: Rodrigo Meade

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Este método de computadoras cuánticas puede dividirse en dos categorías. El primer método utiliza fotones, en los que la dirección de polarización de un fotón corresponde a 0 y 1 para realizar un bit cuántico. El otro método utiliza cantidades continuas, como la amplitud y la fase de la luz. Los cálculos se realizan con “luz comprimida”, que es luz cuántica con amplitudes superpuestas. La investigación y el desarrollo se llevan a cabo en Xanadu y PsiQuantum, y en la Universidad de Tokio. Sus puntos fuertes son su capacidad para funcionar a temperatura ambiente y presión atmosférica, y su conectividad con otros dispositivos cuánticos, como los sensores. El mayor inconveniente es su debilidad en determinadas operaciones y su elevada tasa de error.

Ilustración: Rodrigo Meade

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Método o procedimiento de manipulación de qubits para resolver un problema en una computadora cuántica. Los algoritmos existen en las máquinas clásicas, pero se trata de una versión para las cuánticas. Entre los más representativos se encuentran el algoritmo de Shor y el algoritmo de Grover. Por otro lado, el número de algoritmos prácticos es aún pequeño, y encontrar nuevos es uno de los principales retos de la investigación en computadoras cuánticas.

Ilustración: Rodrigo Meade

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Combinación de puertas cuánticas para cálculos complejos. Las computadoras clásicas también tienen circuitos lógicos, pero el número de bits utilizados para la entrada y la salida puede diferir. Los circuitos cuánticos utilizan tantas líneas como qubits se vayan a utilizar y cambian el estado de cada qubit colocando una compuerta en cada línea. Por su aspecto, a veces se compara con una partitura musical.

Ilustración: Rodrigo Meade

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La operación de cuánto y de qué manera se puede cambiar el estado de un bit cuántico. Se expresa mediante letras y símbolos como “H-gate” y “Φ-gate”, pero su verdadera naturaleza es una matriz matemática. El estado de un qubit también puede representarse mediante una matriz, por lo que los cálculos en una computadora cuántica son cálculos de matriz a matriz. La puerta de un computadora clásica existe como un circuito electrónico, pero una puerta cuántica se manipula mediante ondas electromagnéticas.

Corrección de los errores que se producen durante los cálculos en una computadora cuántica. Los máquinas cuánticas son muy vulnerables a ruidos como el calor y las ondas electromagnéticas y son más propensas a cometer errores que las clásicas. Además, como se manejan bits cuánticos, los métodos de corrección son más complejos. Por tanto, la corrección cuántica de errores es un obstáculo difícil para hacer realidad una computadora cuántica.

NISQ son las siglas de ‘Noisy Intermediate-Scale Quantum’, que significa “cuántico ruidoso de escala intermedia”. Como no se pueden realizar cálculos a gran escala debido a la acumulación de errores, cada día se investiga qué cálculos prácticos son posibles con los limitados recursos disponibles.

FTQC son las siglas de ‘Fault-Tolerant Quantum Computer’ (computadora cuántica tolerante a fallos). El FTQC es uno de los objetivos de la investigación en máquinas cuánticas; para crearla, se están desarrollando tanto métodos de corrección de errores como hardware.

Ilustración: Rodrigo Meade

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Como los qubits son propensos a errores, utilizar qubits individuales directamente en un cálculo no da resultados correctos. Al crear un grupo, es posible representar información correcta en su conjunto, aunque algunos cometan errores. Por eso se dice que se necesita un número enorme de qubits físicos para realizar la FTQC.

Ilustración: Rodrigo Meade

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Probabilidad de que una operación de puerta cuántica pueda realizarse sin error. A menudo se utiliza como indicador del rendimiento de una computadora cuántica. Aunque la fidelidad sea del 99%, la probabilidad de que el resultado del cálculo sea correcto cuando se realizan 100 operaciones de puerta cuántica, es del 36.6%. Por lo tanto, se dice que la fidelidad a la que se debe aspirar para realizar la FTQC es del 99.99999999%.

Ilustración: Rodrigo Meade

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Este término describe la capacidad de una computadora para calcular problemas que una clásica no puede calcular en un tiempo realista. En los últimos años, un artículo publicado por Google acaparó los titulares; este planteaba un conflicto: hasta ahora, no se ha podido demostrar la supremacía cuántica en problemas prácticos. No obstante, fue un punto de inflexión al dar sentido de realidad a la computadora cuántica, que se había considerado ciencia ficción.

Ilustración: Rodrigo Meade

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La cantidad de tiempo que un qubit puede mantener su estado cuántico. Suele utilizarse como uno de los indicadores de rendimiento de las computadoras cuánticas. Cuanto mayor sea este tiempo, más cálculos se pueden realizar, lo que resulta ventajoso. Depende del cuanto con el que trabaje la computadora cuántica, siendo el más corto el de microsegundos; aunque algunas máquinas pueden mantener su estado cuántico durante varios segundos. La ruptura de un estado cuántico se denomina decoherencia.

Partícula desconocida cuya existencia sigue sin verificarse mediante experimentos. Se espera utilizarla para crear una computadora cuántica topológica muy resistente al ruido ambiental. Toda partícula puede clasificarse como partícula de Fermi o de Bose, y toda partícula de Fermi tiene una antipartícula que existe como partícula independiente. Por ejemplo, la antipartícula de el electrón, es el positrón. Estas pueden distinguirse como partículas separadas.

Algoritmo cuántico para hallar valores propios a partir de matrices unitarias y estados propios. Es difícil imaginar su uso sin conocimientos de mecánica cuántica, pero es un método muy versátil que constituye la base de muchos algoritmos cuánticos. Por ejemplo, puede utilizarse para calcular los valores propios de energía de sistemas cuánticos, y para entender el comportamiento de los electrones en la materia a una escala que antes era imposible calcular. Se espera que esto conduzca a un descubrimiento de fármacos y un desarrollo de materiales más sofisticados y eficientes, así como a la elucidación de fenómenos naturales como la fijación del nitrógeno y la fotosíntesis a nivel cuántico.

Algoritmo cuántico inventado por Rob Grover en 1996. Es capaz de buscar un único dato objetivo a partir de un conjunto de n datos no alineados a gran velocidad. En el método clásico, la única manera es comprobar cada respuesta correcta una a una por fuerza bruta, y si no se tiene suerte, hay que comprobarlo n veces, y de media, n/2 veces. Sin embargo, el algoritmo de Grover solo requiere √n pasos. Por ejemplo, si el número de datos es de un millón, una computadora clásica requiere 500,000 pasos, mientras que una cuántica solo requiere de 1,000 pasos.

La aplicación de las computadoras cuánticas al aprendizaje automático aún está en proceso de validación. El análisis de big data se considera difícil de acelerar, y en lugar de limitarse a aspirar a acelerar el aprendizaje automático existente, se están explorando nuevos métodos de aprendizaje exclusivos de las máquinas cuánticas. Estos pueden clasificarse a grandes rasgos en métodos que utilizan datos clásicos y métodos que utilizan datos cuánticos. En los primeros, el aprendizaje automático con “características cuánticas” es un método que se espera que sea superior. En cuanto a los segundos, aún no se dispone de datos, por lo que pasará algún tiempo antes de que puedan utilizarse para realizar tareas útiles.

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Tecnología aplicada de la comunicación cuántica

Tecnología de sensores ultrasensibles que aprovecha el hecho de que el estado cuántico cambia con la más mínima perturbación. Se investigan diversos métodos en función del objetivo de medición; el más representativo es el uso de centros NV de diamante. El centro NV es la zona del diamante en la que las vacantes excluidas de nitrógeno y carbono son adyacentes. Los electrones confinados allí cambian su estado cuántico con ligeros cambios en el campo electromagnético o la temperatura, y esto es lo que se utiliza. El dispositivo puede miniaturizarse hasta el tamaño nanométrico y funcionar a temperatura ambiente, y se espera que se aplique a una amplia gama de campos, incluido el biomédico, como la medición del microentorno en el interior de las células.

Ilustración: Rodrigo Meade

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Técnica criptográfica en principio indescifrable mediante la mecánica cuántica. Los fotones o la luz comprimida se utilizan como “clave” para el cifrado. Un término similar es “criptografía cuántica resistente”. Esta no utiliza tecnología cuántica, sino que se refiere a una técnica criptográfica que utiliza un problema matemático difícil de resolver e impide que una computadora cuántica lo descifre.

Ilustración: Rodrigo Meade

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A diferencia del internet actual, que permite el intercambio de datos digitales, esta tecnología transmite datos con propiedades cuánticas entre computadoras cuánticas y sensores. Una aplicación es la computación cuántica distribuida. En las máquinas clásicas, la potencia de cálculo solo aumenta linealmente cuando se conectan varias computadoras, pero en las cuánticas, la potencia de cálculo aumenta exponencialmente debido a la superposición. Como resultado, se cree que es posible crear enormes espacios computacionales que no podrían manejarse convencionalmente.

Una de las tecnologías esenciales para internet y la criptografía cuánticas. En principio, es imposible duplicar o amplificar un estado cuántico sin cambiarlo. Por tanto, hay que recurrir al teletransporte cuántico para enviar un estado cuántico a un lugar remoto. El emisor y el receptor comparten fotones en entrelazamiento cuántico. El emisor realiza una medición especial, la medición de Bell, sobre el estado cuántico y el fotón que se va a enviar y transmite el resultado al receptor. El receptor realiza entonces la operación correspondiente sobre el fotón y se reproduce la información cuántica deseada.

Ilustración: Rodrigo Meade

Se publicó originalmente en WIRED Japón. Adaptada por Alondra Flores.