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Ordenador cuántico: ¿Qué es y como funciona?

El ordenador cuántico ya es una realidad, aunque los existentes aún están en una fase temprana del desarrollo de este nuevo paradigma tan prometedor.

Estos tipos de ordenadores son desconocidos para muchos, y se basan en la física cuántica, que para algunos es casi como una magia en comparación con la física clásica. Aquí podrás conocer qué son estas extrañas máquinas y cómo funcionan, entre otras cosas.

¿Sabías que…? Todo eso que ves en un ordenador cuántico no es más que un gran sistema de refrigeración. En realidad, el chip cuántico es mucho más pequeño, de tan solo unos cenímetros cuadrados…

Física clásica vs física cuántica

física cuántica

Existen alguna similitudes entre la mecánica cuántica o física cuántica y la mecánica clásica o física clásica, y también algunas diferencias. Pero, ¿qué son exactamente?

  • Física clásica: es el estudio de cuerpos macroscópicos, como la estática, el movimiento, etc. Y consta de tres ramas principales, como la lagragiana, la newtoniana y la hamiltoniana, con métodos matemáticos diferentes para estudiar los fenómenos.
  • Física cuántica: estudia cuerpos microscópicos, y viene del término «cuántico» y proviene del hecho de que la energía de un sistema está cuantificada. La teoría del fotón es una de las piedras angulares de esta mecánica, afirmando que la luz está en forma de paquetes de ondas. Hisenberg, Max Plank y Albert Einstein son algunos de los científicos involucrados en esta mecánica. Además, debes saber que esta física se divide en dos categorías, la primera con cuerpos no relativistas cuando se estudia la mecánica cuántica de partículas con velocidades relativamente pequeñas en comparación con la velocidad de la luz. Y la otra es la cuántica relativista, que estudia partículas que se mueven a velocidades similares a la de la luz.

Además de lo dicho anteriormente, existen algunas diferencias destacables entre ambas que son:

  • La mecánica cuántica se aplica a cuerpos subatómicos mientras que la mecánica clásica sólo se aplica a cuerpos macroscópicos.
  • La mecánica cuántica se puede aplicar a cuerpos macroscópicos pero la mecánica clásica no se puede aplicar a sistemas subatómicos.
  • La mecánica clásica puede considerarse como un caso especial de la mecánica cuántica.
  • La mecánica clásica es un campo completamente desarrollado mientras que la mecánica cuántica es todavía un campo en desarrollo.
  • En la mecánica clásica, la mayoría de los efectos cuánticos, como la cuantificación de la energía y el principio de incertidumbre, no son útiles.

La física cuántica da lugar a fenómenos realmente extraños, que ahora nos parecen «magia» o casi paranormales, pero que esta física puede demostrar. Seguro que has escuchado hablar más de una vez del famoso gato de Schrödinger, que trata de explicar parte de esta física cuántica:

https://www.youtube.com/watch?v=80esLBqsRas

¿Qué es un Qubit o bit cuántico?

qubit

Un bit binario puede tomar dos estados diferentes, el 0 o nivel bajo, y el 1 o nivel alto. Es la unidad básica de información de una computadora clásica. En cambio, un cúbit o qubit es la unidad básica de información de un ordenador cuántico, pero en este caso no solo puede tener los dos estados citados anteriormente, sino que también puede tener varios estados a la vez superpuestos (como el famoso gato).

El qubit puede representar un 0, un 1, o cualquier proporción de 0 y 1 en la superposición de ambos estados, como una probabilidad determinada de ser un 0 o un 1. Es precisamente esta capacidad la que les permite a estas máquinas tener capacidades de procesamiento muy superiores a las computadoras clásicas.

Por otro lado, la cantidad de información que un qubit puede representar aumenta de forma exponencial. Por ejemplo, 5 qubits pueden representar más información que 2^5 en el sistema clásico. Y, para que te hagas una idea, para calcular los factores primos de un número de 2048 bits se podrían tardar millones de años en un ordenador clásico, mientras que en un cuántico se haría en unos minutos.

Además, es importante destacar que existen muchas formas de representar los cúbits. Mientras que en los clásicos se hace mediante circuitos digitales, en los cuánticos puede ser mediante iones atrapados, fotones, átomos artificiales o reales, cuasipartículas, etc. Algunas de ellas necesitan temperaturas cercanas al cero absoluto (-273ºC) y de ahí que tengan ese aspecto tan extraño por el complejo sistema de refrigeración empleado.

Por último, algunas personas piensan que es simplemente cuestión de agregar más y más qubits a un ordenador cuántico, y que las empresas que consiguen más de estos qubits son las que están por delante. Pero lo cierto es que no es así, hay que conseguir que esos qubits sean estables, y los chips más avanzados son aquellos con mejores calidades, no con mayores cantidades. De lo contrario, se deberán usar otros qubits como sistema de corrección.

¿Cómo funciona un ordenador cuántico?

ordenador cuántico

En un ordenador cuántico las leyes que servían para los clásicos ya no sirven en este nuevo paradigma. La lógica digital (de las puertas lógicas clásicas AND, OR, NOT, NAND, NOR, XNOR, NOT, etc., se pasa a las cuánticas como la CNOT, Pauli, Toffoli, SWAP, Hadamard, etc.), la forma de programar, etc., ya no es válida. Todo cambia. De hecho, estos computadores experimentales son meras herramientas de cálculo, como un servidor conectado a una computadora clásica como cliente. Es en la computadora clásica en la que se ejecuta realmente el software.

Para comprender de forma sencilla cómo funciona un ordenador cuántico y de donde viene su potencia, hay que entender que un un qubit puede representar un cero, un uno, una superposición de ambos valores a la vez, o una superposición simultánea de todos los qbits combinados. Por ejemplo, con 2 qubits se pueden representar los valores 00, 01, 10, 11 a la vez.  Es decir, con tan solo 2 qubits se puede representar lo que se necesitarían bastante más bits clásicos para representar y más instrucciones de la CPU para procesarlos.

Por otro lado está el paralelismo cuántico por el entrelazamiento, que es cuando los cúbits se han entrelazado (en correlación) y se pueden manipular para hacer exactamente la misma operación en paralelo sobre todos ellos. De ahí el gran potencial de este paradigma…

Te recomendamos la lectura de nuestra guía sobre los mejores procesadores.

En mi opinión, los computadores cuánticos no llegarán al hogar en un futuro corto o medio, solo habrá soluciones QaaS para usar como servicios en la nube para empresas, pero seguiremos usando los dispositivos clásicos por décadas. ¿Tú qué opinas?

Isaac Romero Torres

Más de una década trabajando en el ámbito de la investigación sobre arquitecturas y microarquitecturas de CPUs, de la electrónica, la lógica digital, de los sistemas operativos Unix (con los que trabajé como asesor para algunas empresas), programación de MCUs, PLCs, hacking, etc.
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