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Los misterios de la computación cuántica

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10072012

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Los misterios de la computación cuántica






La computación cuántica podría ser una vía decisiva para desentrañar los secretos de la física subatómica. (Imagen de Jorge Munnshe para Amazings).



A medida que evoluciona la tecnología, aumenta la escala de integración y caben más transistores en el mismo espacio; así se fabrican microchips cada vez más pequeños, y es que, cuanto más pequeño es, mayor velocidad de proceso alcanza el chip. Sin embargo, no podemos hacer los chips infinitamente pequeños. Hay un límite en el cual dejan de funcionar correctamente. Cuando se llega a la escala de nanómetros, los electrones se escapan de los canales por donde deben circular. A esto se le llama efecto túnel. Una partícula clásica, si se encuentra con un obstáculo, no puede atravesarlo y rebota.

Pero con los electrones, que son partículas cuánticas y se comportan como ondas, existe la posibilidad de que una parte de ellos pueda atravesar las paredes si son demasiado finas; de esta manera la señal puede pasar por canales donde no debería circular. Por ello, el chip deja de funcionar correctamente. En consecuencia, la computación digital tradicional no tardaría en llegar a su límite, puesto que ya se ha llegado a escalas de sólo algunas decenas de nanómetros. Surge entonces la necesidad de descubrir nuevas tecnologías y es ahí donde entra la computación cuántica en escena.

La idea de computación cuántica surge en 1981, cuando Paul Benioff expuso su teoría para aprovechar las leyes cuánticas en el entorno de la computación. En vez de trabajar a nivel de voltajes eléctricos, se trabaja a nivel de cuanto. En la computación digital, un bit sólo puede tomar dos valores: 0 ó 1. En cambio, en la computación cuántica, intervienen las leyes de la mecánica cuántica, y la partícula puede estar en superposición coherente: puede ser 0, 1 y puede ser 0 y 1 a la vez (dos estados ortogonales de una partícula subatómica). Eso permite que se puedan realizar varias operaciones a la vez, según el número de qubits.

El número de qubits indica la cantidad de bits que pueden estar en superposición. Con los bits convencionales, si teníamos un registro de tres bits, había ocho valores posibles y el registro sólo podía tomar uno de esos valores. En cambio, si tenemos un vector de tres qubits, la partícula puede tomar ocho valores distintos a la vez gracias a la superposición cuántica. Así, un vector de tres qubits permitiría un total de ocho operaciones paralelas. Como cabe esperar, el número de operaciones es exponencial con respecto al número de qubits. Para hacerse una idea del gran avance, un computador cuántico de 30 qubits equivaldría a un procesador convencional de 10 teraflops (millones de millones de operaciones en coma flotante por segundo), cuando actualmente las computadoras trabajan en el orden de gigaflops (miles de millones de operaciones).

Acerca de este tema tan intenso para la física hoy día, Noticias de la Ciencia difundió lo siguiente:

Tres teóricos han dado con otra importante aplicación práctica que podrán tener las computadoras cuánticas, máquinas fascinantes que todavía están a años de distancia en el futuro.

Según estos teóricos, entre ellos uno del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), los físicos podrían algún día usar las computadoras cuánticas para estudiar las interioridades del universo de maneras que en la actualidad están mucho más allá del alcance de los computadores convencionales, incluso de las supercomputadoras más potentes del presente.

Las computadoras cuánticas requieren de una tecnología que probablemente necesitará décadas para ser perfeccionada hasta un nivel aceptable, pero resultan muy prometedoras para resolver problemas complejos. Las conexiones en sus procesadores se aprovecharán de ciertas características de la mecánica cuántica, la cual rige la interacción de las partículas subatómicas. Las leyes de la mecánica cuántica permiten que las conexiones cuánticas existan al mismo tiempo en el estado de apagado (Off) y en el de encendido (On), por lo que una computadora cuántica es capaz de considerar a la vez todas las posibles soluciones a un problema.

Esta portentosa cualidad, que brinda una capacidad analítica muy por encima de la de los ordenadores de la actualidad, podría permitir que las computadoras cuánticas resolvieran con rapidez algunos problemas que son difíciles en la actualidad, como por ejemplo la descodificación de códigos complejos. Pero también podrían enfrentarse a problemas aún más difíciles.

El equipo de Stephen Jordan, de la División de Matemáticas Aplicadas y Computacionales del NIST, ha desarrollado un algoritmo (una serie de instrucciones que pueden ser ejecutadas repetidas veces) que podría ejecutarse en cualquier computadora cuántica funcional, independientemente de la tecnología específica que finalmente se utilice para construirla. El algoritmo simularía todas las posibles interacciones entre dos partículas elementales que chocan entre sí, algo cuyo estudio actualmente requiere de un gran acelerador de partículas y varios años de trabajo.

Simular estas colisiones es un problema muy difícil para los computadores digitales actuales porque el estado cuántico de las partículas que chocan es muy complejo y, por tanto, difícil de representar con exactitud con una cantidad factible de bits. Sin embargo, el algoritmo del equipo codifica la información que describe este estado cuántico mucho más eficientemente gracias a usar una serie de interruptores cuánticos, lo cual hace que el cálculo sea mucho más factible de realizar.

En el desarrollo de este algoritmo y en su análisis posterior también han trabajado John Preskill, del Instituto Tecnológico de California (Caltech) en Pasadena, y Keith S.M. Lee, ahora en la Universidad de Pittsburgh, Pensilvania, también en Estados Unidos.

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