Computación cuántica: el futuro de los ordenadores

Dr Miguel Figueres, Dr Antonio de la Vega, Dr Laura Martinez, Dr Margarita Segovia

No cabe duda que la ciencia computacional avanza a un ritmo vertiginoso. Cada año se crean nuevos microprocesadores (la parte de los ordenadores encargada de realizar los cálculos) más compactos y potentes, los cuales permiten manejar más rápidamente grandes cantidades de información. Por ejemplo, los microprocesadores de los móviles actuales son más potentes que los superordenadores de la década de los noventa.

Sin embargo, una barrera física se cierne sobre la mejora de los microprocesadores: la dificultad en reducir el tamaño de los transistores. Los transistores son como los “átomos” de un microprocesador y hoy en día poseen un tamaño entre los 7-10 nanómetros (una millonésima parte de un milímetro de tamaño). En los próximos años se prevé reducir su tamaño entre 1 y 5 nanómetros, pero ¿qué ocurriría si no podemos seguir reduciendo el tamaño de los microprocesadores? ¿Podríamos realmente sobrepasar esa barrera física que los materiales semiconductores como el silicio y la ciencia computacional ofrecen hoy día?

Es aquí donde entra la computación cuántica, la cual promete revolucionar la ciencia computacional tradicional y el procesamiento de datos a gran escala. Aunque se empezó a hablar de la computación cuántica a principios de los años 50, no ha sido hasta el año 2015 cuando se han empezado a desarrollar los primeros ordenadores cuánticos, abriendo las puertas de una nueva era en la ciencia computacional. La computación cuántica trata de superar los límites de la ciencia computacional tradicional, creando ordenadores capaces de resolver en unos pocos segundos problemas complejos que los ordenadores actuales tardarían millones de años en resolver.

La computación cuántica tiene su base en la física cuántica, que estudia el comportamiento de partículas subatómicas. Las propiedades de estas partículas están cuantizadas, es decir, toman valores discretos. Es como en la informática actual donde se trabaja con dos estados, los ceros y unos, con la diferencia que, aparte de estar en uno u otro estado, pueden estar en una combinación lineal de ellos, es decir, existe una superposición de estados. Además, ¡estos estados están conectados! o, como dicen los físicos, entrelazados.

Actualmente, en los ordenadores actuales, la información se almacena en forma bits, que presentan el estado de 0 ó 1. En computación cuántica, la misma información se almacenaría en la forma de Qbit o QuBIT (bit cuántico). Estos bits cuánticos pueden tener, no sólo los dos estados (0 ó 1), si no que pueden tener cualquier estado intermedio. Más aún, gracias al entrelazamiento, el cambio en un estado afecta al resto. Por este motivo la computación cuántica es más eficiente a la hora de resolver problemas donde se puedan probar todas las soluciones posibles al mismo tiempo Un ejemplo podría ser los sistemas de cifrado que se utilizan hoy en día para proteger las comunicaciones en la red. Éstos están basados en la factorización de grandes números. Encontrar estos números factorizados requeriría siglos de computación con los superordenadores actuales. Sin embargo, ya existen algoritmos teóricos en computación cuántica que serían capaces de resolver este problema de manera mucho más rápida. En el momento en que el primer ordenador cuántico empiece a funcionar, estos sistemas de cifrado actuales dejarían de ser una forma efectiva de proteger datos personales, con el impacto que ello tendría en nuestras vidas cotidianas.

Aunque la computación cuántica avanza rápidamente, los ordenadores cuánticos existentes ahora mismo son simples prototipos que requieren ambientes extremadamente estables para trabajar al máximo de sus capacidades de manera eficiente y precisa. Por ejemplo, un ordenador cuántico necesita trabajar a una temperatura de -273º Celsius para mantener la estabilidad de los estados de los bits cuánticos. Por otro lado, los prototipos actuales aún no son capaces de ejecutar todos los tipos de algoritmos existentes. Un algoritmo describe las instrucciones que un ordenador debe ejecutar para resolver un problema. Para los ordenadores cuánticos, las instrucciones de los algoritmos “clásicos” se deben reescribir para que ellos (los ordenadores cuánticos) los puedan entender. No obstante, aún queda un largo camino por recorrer para poder reescribir todos esos algoritmos cuánticos equivalentes.

En definitiva, podemos decir que se abre ante nosotros un área de investigación extensa y compleja que promete un impacto sin precedentes en la humanidad. Pero no debemos olvidar que estamos muy lejos aún de tener ordenadores cuánticos comerciales. De hecho, en caso de hacerse realidad hoy en día, los ordenadores cuánticos serían más un complemento de los ordenadores actuales para resolver ciertos tipos de problemas que una tecnología alternativa.

 

Por Dr Miguel Figueres*, Dr Antonio de la Vega*, Dr Laura Martinez*, Dr Margarita Segovia* Investigadores y miembros de CERU- Yorkshire y CERU-Manchester

 

Más información:

https://www.decideo.com/La-computacion-cuantica-al-servicio-del-Big-Data-Cuantico_a1949.html

http://www.elmundo.es/tecnologia/2017/03/06/58bd3af5268e3ef45d8b4632.html

https://www.dwavesys.com/press-releases/d-wave%C2%A0announces%C2%A0d-wave-2000q-quantum-computer-and-first-system-order

https://www.elconfidencial.com/tecnologia/2014-03-26/estamos-un-paso-mas-cerca-de-construir-un-ordenador-cuantico_106962/

https://techcrunch.com/2018/03/23/researchers-find-a-new-material-for-quantum-computing/?guccounter=1

https://www.newscientist.com/article/mg22830434-100-quantum-technology-set-to-hit-the-streets-within-two-years/

https://www.telefonica.com/es/web/sala-de-prensa/-/telefonica-huawei-y-la-universidad-politecnica-de-madrid-realizan-una-experiencia-pionera-a-nivel-mundial-de-aplicacion-de-criptografia-cuantica-en-re

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