La computación cuántica

Utilizamos la mecánica cuántica para describir el comportamiento del mundo microscópico, con unos resultados a menudo muy sorprendentes y aparentemente contradictorios, pero que han sido comprobados una y otra vez con una precisión sin precedentes en el mundo de la ciencia.

Conocer el comportamiento de la naturaleza hasta estos niveles de intimidad, en los que la intuición ya no juega ningún papel, no sólo nos ayuda a comprenderla cada vez más a fondo, no sólo alimenta la sed de conocimiento del ser humano, sino que también tiene sus frutos tecnológicos. Uno de esas aplicaciones prácticas es la computación cuántica, basada en dos fenómenos puramente cuánticos: la superposición de estados y el entrelazamiento.

Como sabemos, un sistema se puede encontrar en un estado de superposición entre diversos estados. Por ejemplo, nos podemos encontrar con la posibilidad de que la posición de un átomo sea una superposición entre dos localizaciones diferentes. En este estado no se puede afirmar que el átomo se encuentra en un lugar determinado, o en el otro, hasta que no se efectúa una medida sobre él. Experimentalmente se trata de estados muy frágiles, ya que cualquier interacción con el entorno actúa como si fuera una medida: hace desaparecer la superposición y el átomo “se decide” por una de las dos opciones.

Otra propiedad única de los sistemas cuánticos que los lectores de caosyciencia ya conocemos es el llamado entrelazamiento (entanglement en inglés). Se trata de una conexión entre partículas que provoca que el estado de una de ellas dependa instantáneamente de la medida que se realice sobre la otra, aunque estén separadas por grandes distancias.

Para descubrir qué tienen que ver estos dos fenómenos con la computación, recordemos primero en qué consiste la computación tradicional. Los ordenadores actuales se basan en la manipulación de pequeñas corrientes eléctricas. El paso de corriente se interpreta como un 1 y su ausencia como un 0. Saber si tenemos un 1 o un 0 corresponde a un bit de información. Los números, las letras, los gráficos y los sonidos que tratamos con el ordenador se traducen a un inmenso conjunto de unos y de ceros, de manera que registrar esos unos y esos ceros permite almacenar cualquier tipo de información.

Además de almacenar información, la tarea de un ordenador es llevar a cabo operaciones lógicas con estos valores. Estas operaciones pueden consistir en cambiar el estado de un solo bit, por ejemplo transformar un 1 en un 0; o bien entre dos bits, operaciones del tipo “si entra un 1 y un 0, entonces sale un 1”. Estas operaciones se llaman puertas lógicas y, en los circuitos electrónicos, se llevan a cabo mediante pequeños dispositivos que están integrados en los microchips: los transistores. Aunque las operaciones son, como vemos, muy sencillas, la combinación de muchas puertas lógicas da lugar a toda la potencia de cómputo que tienen los ordenadores.

¿En qué consiste la computación cuántica? A diferencia de lo que sucede en la computación tradicional, en la computación cuántica la información no se almacena en forma de bits, con dos valores determinados posibles (1 y 0), sino en forma de qubits, que son estados cuánticos de superposición entre dos estados determinados, y que se encuentran, además, entrelazados con otros qubits. El estado de superposición que representa un átomo con dos posibles localizaciones contiene un qubit de información, ya que físicamente puede estar deslocalizado entre los dos lugares al mismo tiempo.

Las puertas lógicas cuánticas manipulan, al igual que en computación clásica, valores de entrada para dar otros valores de salida. Pero en este caso, para implementarlas físicamente no basta con dejar pasar o no corrientes eléctricas, sino que es necesario idear situaciones experimentales en las que los sistemas en estados de superposición puedan interaccionar, pero sin perder la frágil condición de superposición.

Hacer interaccionar sistemas en estados de superposición sin romper esta condición es todo un reto experimental. Es muy fácil que una manipulación de un sistema físico en un estado de superposición destruya este estado como si se hubiera realizado una medida. Esto hace que sea extraordinariamente difícil el diseño de computadores cuánticos que se puedan construir experimentalmente. Pero los científicos no dejan de proponer prototipos para que el primer ordenador cuántico sea realizable en un futuro no muy lejano.

Y, ¿qué tiene de especial la computación cuántica?, ¿cómo nos puede beneficiar construir un ordenador de esas características? La respuesta está en la velocidad de cálculo. En los ordenadores tradicionales esta velocidad depende de la miniaturización de los transistores y de la rapidez de actuación. En los transistores la información se trata de manera secuencial, de manera que con 100 transistores operando al mismo tiempo (en paralelo) se pueden hacer 100 operaciones lógicas a la vez.

En un computador cuántico, en cambio, la información que entra en las puertas lógicas no es la correspondiente a un 0 o a un 1, sino la correspondiente al estado de superposición, es decir, dos estados posibles a la vez. Este hecho multiplica espectacularmente la capacidad de cálculo. Con 100 estados cuánticos de superposición (qubits) operando al mismo tiempo se puede hacer un cálculo equivalente a 2^100 operaciones lógicas a la vez, es decir, el equivalente a más de 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 operaciones en un solo instante.

Esta increíble potencia de cálculo permitiría resolver fácilmente problemas que actualmente tardarían literalmente varias veces la edad del Universo para ser solucionados. Un ejemplo: la computación cuántica aceleraría exponencialmente la búsqueda de registros en bases de datos gigantes. Otro ejemplo paradigmático de este tipo de problemas es la factorización de números grandes, es decir, encontrar qué números multiplicados entre sí dan como resultado un número determinado. La dificultad de resolver este problema es la base de la seguridad de las transacciones bancarias, así que esperemos que el primer ordenador cuántico no caiga en manos de los hackers.