¿Qué es la computación cuántica?


La computación cuántica o informática cuántica fue concebida por primera vez a principios de los años 80 de la mano de investigadores como Paul Benioff, Richard Feynman y Yuri Manin. Su objetivo es utilizar el comportamiento de los objetos cuánticos (incluyendo fotones no atómicos de partículas subatómicas) para resolver problemas de forma mucho más rápida y sencilla que en el caso de los ordenadores tradicionales o incluso de los superordenadores, con un menor consumo energético.

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¿Qué es un ordenador cuántico y en qué se diferencia de los sistemas informáticos actuales?

La computación cuántica es una tecnología emergente que busca utilizar la naturaleza única del reino cuántico (a la escala de los átomos y de las partículas subatómicas) para resolver problemas complejos. En teoría, las grandes computadoras cuánticas podrían resolver determinados tipos de problemas, como el descifrado de los protocolos de encriptación o problemas de optimización complejos, a una velocidad muy superior a la de los ordenadores tradicionales. Sin embargo, la tecnología cuántica actual todavía no ha alcanzado un grado de madurez suficiente.

Los ordenadores cuánticos utilizan las propiedades cuánticas de partículas elementales como los átomos, los electrones o los fotones con cúbits o bits cuánticos, unidades básicas de información capaces de gestionar estados superponiendo unos y ceros. Combinados, los cúbits permiten superponer un gran número de valores.

¿En qué se diferencia la computación cuántica de la computación tradicional?

La computación cuántica, en lugar de utilizar el sistema binario de unos y ceros (bits), utiliza cúbits o bits cuánticos, cuyo estado en cualquier momento puede representarse por un número complejo, denominado amplitud, que hace referencia a la posibilidad de obtener tanto cero como uno al leer el estado del cúbit. Esa complejidad, según las investigaciones actuales, podría hacer que los ordenadores cuánticos, y en concreto aquellos con varios miles o millones de cúbits, fueran mejores resolviendo problemas complejos.

¿Cómo funciona un ordenador cuántico y cuáles son las posibles ventajas de la computación cuántica? ¿Y qué es un cúbit?

Un cúbit puede ser cualquier sistema cuántico-mecánico que posea dos estados cuánticos diferentes y controlables, como la polarización de un fotón de luz, el nivel de energía de un átomo o el giro de un electrón. Dado que los cúbits pueden existir en más estados que los bits estándar, los ordenadores cuánticos pueden llegar a manejar mucha más información por cúbit que un equipo tradicional por bit. Por ejemplo, mientras que 1024 bits proporcionan 128 bytes de RAM, es posible almacenar la misma cantidad de datos utilizando solo 10 cúbits. Así pues, un ordenador cuántico de 1000 cúbits podría llegar a gestionar 21 000 números diferentes.

¿Qué podrían llegar a hacer estos ordenadores cuánticos?

Entonces ¿qué son capaces de hacer estos ordenadores cuánticos? De momento, no podemos esperar que los ordenadores cuánticos sustituyan a los ordenadores tradicionales ni a los superordenadores. Sin embargo, sí pueden realizar de manera más eficiente determinadas tareas informáticas, aunque tendrían un aspecto y funcionarían de forma muy diferente a los dispositivos que utilizamos a día de hoy. Así pues, aunque para la gran mayoría de los problemas los ordenadores convencionales seguirán siendo la mejor opción, los equipos cuánticos pueden ofrecer ventajas considerables a la hora de afrontar algunos desafíos informáticos.

Criptografía

El algoritmo de factorización de enteros de Shor, desarrollado por Peter Shor en 1994, es un algoritmo cuántico que permite identificar los factores primos de cualquier número entero. Este es un problema que los ordenadores clásicos no pueden resolver en un período de tiempo lo suficientemente práctico para grandes números enteros. Los sistemas criptográficos de claves públicas aprovechan esta dificultad para crear claves públicas utilizadas en el cifrado de datos para correos electrónicos, transacciones financieras online y otras comunicaciones seguras a través de VPN o el protocolo SSH. La clave pública se compone de dos grandes números primos que solo conoce el destinatario seleccionado, por lo que, en teoría, nadie más podría calcular esos primos para descifrar el mensaje.

El algoritmo de Shor demuestra cómo unos ordenadores cuánticos lo suficientemente potentes podrían descifrar los sistemas criptográficos de clave pública actuales. Esta posibilidad ha dado como resultado una mayor investigación sobre las diferentes maneras de reforzar la seguridad y la privacidad de los datos mediante la criptografía cuántica.

Optimización de la resolución de problemas

Pero, más allá de descifrar sistemas criptográficos, ¿qué más podría llegar a hacer un ordenador cuántico? Con una potencia correcta, las computadoras cuánticas podrían ayudar a encontrar soluciones óptimas a determinados tipos de problemas con una gran cantidad de resultados posibles. Así pues, podrían utilizarse para construir modelos que predigan las trayectorias más probables para las partículas subatómicas en el campo de la física de altas energías. Los ordenadores cuánticos también podrían resolver el problema del vendedor ambulante (también conocido como problema del agente viajero o TSP, por sus siglas en inglés), cuyo objetivo es encontrar la ruta más corta posible entre múltiples destinos. Conseguirlo supondría un gran avance para la tecnología de big data.

Machine learning

Los ordenadores cuánticos, gracias a su gran capacidad de optimización, pueden ayudar a perfeccionar los modelos de machine learning y deep learning, con una menor tasa de errores.

Otras aplicaciones

Los ordenadores cuánticos tienen muchas otras aplicaciones posibles, como el desarrollo de nuevos medicamentos o la optimización financiera. La palabra clave aquí es «posible». Y es que, aunque en determinados ámbitos los ordenadores cuánticos ofrecen claras ventajas frente a las computadoras clásicas, el desafío pasa por construir un sistema cuántico escalable. Sin embargo, la tecnología cuántica actual todavía no está lo suficientemente avanzada como para ofrecer una respuesta práctica a problemas reales que los ordenadores normales sí pueden resolver, y mucho menos para aquellas tareas que los dispositivos actuales no son capaces de gestionar.

¿Cuál es el estado actual de la computación cuántica?

La computación cuántica pareció dar un gran salto en 2019, con la filtración de un artículo de investigación en el que se afirmaba que el ordenador cuántico de Google, Sycamore, había alcanzado la supremacía cuántica. Esta expresión hace referencia a la capacidad de los ordenadores cuánticos para resolver rápidamente problemas que las computadoras clásicas no pueden resolver en un plazo de tiempo razonable.

En noviembre de 2021, el anuncio de un procesador de 127 cúbits batió todos los récords, al ser la primera vez que un dispositivo superaba los 100 cúbits.

¿A qué retos se enfrenta el desarrollo de ordenadores cuánticos?

Los principales obstáculos son el ruido y la decoherencia. Cuando una partícula cuántica no está aislada de su entorno circundante, cualquier interacción no deseada, incluso el acto de realizar una medición, puede hacer que pierda su estado cuántico y se «colapse» en un bit clásico con un valor simple de cero o uno. El ruido y la decoherencia tienen una consecuencia: los cúbits tienen una vida muy corta, en torno a los 100 µs en el caso de los cúbits superconductores, por lo que solo es posible ejecutar con éxito algunas puertas lógicas durante este breve período de tiempo.

El ruido y la decoherencia cuántica requieren el uso de códigos de corrección de errores cuánticos (QECC), que combinan varios cúbits físicos en cúbits lógicos con una tasa de error mucho más baja y una vida útil mucho más larga. Aunque los conceptos de QECC han sido validados a pequeña escala en laboratorios, su implementación sigue suponiendo todo un reto. En primer lugar, escalar el número de cúbits es complicado, independientemente del tipo. De hecho, pueden ser necesarios miles de cúbits físicos para crear un único cúbit lógico, mientras que se requieren como mínimo 100 cúbits lógicos para crear una computadora cuántica universal útil. Esto equivaldría a un sistema de 100 000 cúbits físicos, y en la actualidad solo es posible generar en torno a unos 100.

Computación cuántica frente a realidad

La materia a nivel cuántico se comporta de formas extrañas: los objetos cuánticos actúan como ondas y partículas a la vez. Sin embargo, al medir un objeto cuántico, la función de onda «colapsa», por lo que un observador lo verá como una partícula. Además, los objetos cuánticos también pueden existir simultáneamente en múltiples estados a la vez: es lo que se conoce como superposición. Asimismo, pueden estar entrelazados con otros objetos cuánticos.

Este fenómeno se conoce como entrelazamiento cuántico. En él, la medición de un objeto también altera el estado de otro, incluso si ambos están separados por distancias muy largas. Así pues, los objetos cuánticos entrelazados tienen estados correlacionados, pero aleatorios.

Estos comportamientos son difíciles de entender y explicar, por lo que a menudo suelen describirse de forma demasiado simplificada. Por ejemplo, no sería correcto decir que un cúbit «es un cero y un uno a la vez». Tampoco es acertado afirmar que los ordenadores cuánticos serán siempre mejores y más rápidos que los ordenadores tradicionales, ya que, para determinados problemas, las computadoras clásicas seguirán siendo mejor opción. Incluso en aquellos casos en los que los ordenadores cuánticos podrían ofrecer claras ventajas, como el descifrado de la encriptación convencional, todavía estamos muy lejos de poder construir este tipo de dispositivos.

Los ordenadores cuánticos actuales suponen un avance significativo con respecto a los dispositivos anteriores, pero todavía tienen que demostrar su eficacia a la hora de resolver problemas prácticos.

Entonces, ¿cuál es el futuro de la computación cuántica? A día de hoy son muchos los investigadores y proveedores que trabajan para lograr nuevos hitos. Asimismo, existe un creciente auge en la formación de la próxima generación de expertos y programadores en informática cuántica, por lo que es muy probable que estos avances cuánticos impulsen una mayor innovación en áreas como el almacenamiento cloud, la minería de datos y otras tecnologías.

OVHcloud y la computación cuántica

OVHcloud ha comenzado a ofrecer acceso por cloud a las diferentes tecnologías disponibles, a través de colaboraciones con startups cuánticas como Pasqal y Quandela o de actores destacados del sector como Atos. La empresa trabaja en la emulación, la simulación y el despliegue de unidades de procesamiento cuántico o QPU para ofrecer una gama cada vez más variada de opciones, ayudando así a construir un ecosistema cuántico europeo coherente.

«OVHcloud puede ayudar a construir un ecosistema cuántico coherente a escala europea»
Octave Klaba, fundador y presidente de OVHcloud

OVHcloud, en colaboración con Atos, pone a disposición de los usuarios el emulador cuántico de Atos como servicio. El objetivo es conseguir que las tecnologías de emulación cuántica sean más accesibles para los laboratorios de investigación, universidades, startups y grandes empresas que buscan diseñar software cuántico y explorar aplicaciones pioneras en el mercado de la informática cuántica.

Gracias a la tecnología Atos, OVHcloud será capaz de ofrecer soluciones de computación cuántica a través de Jupyter Notebooks, facilitando el acceso a los desarrolladores y ofreciendo como punto de partida el trabajo de los equipos de inteligencia artificial de OVHcloud.

Para más información, consulte el comunicado sobre computación cuántica de Atos y OVHcloud.

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