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Computación Cuántica

Dr. Henry Lizano Mora

Director Centro de Informática Universidad de Costa Rica

Para entender la complejidad de la computación cuántica debemos iniciar explicando algunos conceptos claves de la física, analizando partes tan pequeñas del universo, al tamaño de partículas que desaparecen las leyes que forman la física clásica, dando lugar a leyes diferentes. En un computador normal se emplea el lenguaje binario, lo que implica que la unidad mínima de información son los bits, estos cada vez puede adquirir en un momento concreto el valor cero o el valor uno, el cero y el uno se utilizan simplemente porque es la forma más sencilla de medir la electricidad. Si hay corriente eléctrica un uno y si no la hay un cero, a su vez los bits se agrupan para formar palabras de distintas longitudes cuanta más longitud más. Es así como, los bits sirven para modificar el estado interno de la CPU (Unidad Central de Proceso o mejor conocida como procesador) y así poder resolver las distintas tareas que hacemos en una computadora normal. Pues bien, este conjunto o secuencia de operaciones lógicas que modifican el estado interno de nuestro procesador es lo que llamamos algoritmos, un computador cuántico, funciona prácticamente igual, solo que aquí tendremos puertas lógicas cuánticas para resolver operaciones lógicas cuánticas.

La cuestión es que, aunque estos algoritmos cuánticos van a resolver los mismos problemas que se plantean con los computadores clásicos o normales, estos van a ser más rápidos, son más eficientes o que incluso se utilicen estos algoritmos cuánticos para resolver problemas que hemos sido incapaces de resolver. La principal conclusión que sacamos de todo esto es que los computadores cuánticos son mucho más potentes que los clásicos. Entonces, por qué no se utilizan los computadores cuánticos en nuestro día a día, pues la respuesta es que las computadoras cuánticas aún necesitan mucho trabajo y mucha investigación para que puedan llegar a ser útiles. Actualmente, los investigadores cuentan con pocos algoritmos para realizar las operaciones cuánticas, por lo que aún no somos capaces de resolver demasiados problemas. Además, suceden distintos fenómenos que dificultan mucho mantener el estado de un sistema cuántico estable. Bien, pues uno de esos fenómenos es la decoherencia cuántica, pero es que antes de poder explicarnos exactamente en qué consiste, debemos comprender el concepto del entrelazamiento cuántico, que consisten en el entrelazamiento de las partículas, que estaremos explicando con más detalle adelante, entonces la decoherencia cuántica se produce cuando desaparecen las condiciones necesarias para que se mantenga estable el sistema de un estado cuántico entrelazado. Es decir, que cuando aparece la decoherencia cuántica desaparecen los efectos cuánticos también, esto, a su vez, implica que vamos a tener errores y que los resultados que nos van a dar las operaciones no van a ser correctos.

Vamos a volver al listado de problemas de la computación cuánticas y es que, los estados cuánticos se mantienen durante un periodo de tiempo limitado y es justo ese tiempo el que tenemos para llevar a cabo los algoritmos cuánticos, pero es que además, cuantos más qubits, más difícil es mantener bajo control los errores y preservar el estado cuántico del sistema, aquí aparece el problema de la temperatura, porque es que los qubits pueden cambiar de estado de manera totalmente espontánea si no se trabaja a una temperatura adecuada, y esta temperatura adecuada es alucinante, porque tienen que trabajar a temperaturas extremas, cercanas al cero absoluto, cuando hablamos de cero absoluto, nos referimos a una temperatura teórica de -273,15 grados centígrados, y es que cuando llegamos al cero absoluto las partículas se quedan totalmente inmóviles. La cosa es que como siempre en la física cuántica, esto no funciona así y por muy baja que sea la temperatura, es imposible que las partículas no tengan absolutamente nada de energía.

Ahora bien, sabiendo esto nos podemos hacer una idea de lo complicado que es tener un sistema de refrigeración así y encima mantenerlo con temperaturas tan bajas. Pues es precisamente este problema de refrigeración lo que hace que los computadores cuánticos tengan ese aspecto tan extraño:

Ahora bien, hablemos de algunos conceptos importantes en a la computación cuántica como lo es la supremacía cuántica, no es más que alcanzar el hito de conseguir que un computador cuántico sea más rápido que uno normal cuando ambos se enfrentan a resolver el mismo problema y esto ya ha ocurrido varias veces. De hecho, durante los últimos años, en 2019, el equipo de investigadores de Google, liderado por John Martinis consiguió alcanzar la supremacía cuántica utilizando el procesador Sycamore de 54 qubits, el logro de Google no tardó en quedarse atrás porque en diciembre de 2020 un equipo de investigadores de China dirigido por Jian-Wei Pan alcanzó la supremacía cuántica con un procesador de 66 qubits, de los cuales utilizaron solo 56.

¿Qué sigue? Pues necesitamos qubits de más calidad, ya hemos visto que la información cuántica con la que operamos se destruye en un periodo de tiempo concreto, por lo que tener qubits de más calidad nos permitirá retardar más la vida útil de cada información cuántica y llevar así a cabo operaciones más complejas, hace falta también un sistema de corrección de errores para garantizar que los resultados que nos entregan un computador cuántico son correctos.

Imagen 1: IBM – Image Gallery. (s. f.). IBM Newsroom. Recuperado 27 de julio de 2023, de https://newsroom.ibm.com/index.php?s=

Además, necesitamos desarrollar nuevas herramientas que nos permitan controlar los estados cuánticos con precisión. Por supuesto, también hace falta desarrollar más la arquitectura de los propios computadores. Pero sin duda, uno de los mayores retos a los que se enfrentan los investigadores es el de implementar nuevos algoritmos cuánticos que sean capaces de ayudarnos a abordar los problemas que no podemos resolver con los super computadores clásicos más potentes que tenemos hoy en día.

Según James Clark, director de hardware cuántico de Intel, se cree que si se mantiene este ritmo de desarrollo en unos 5 años podríamos tener computadores cuánticos muy interesantes, capaces de alcanzar incluso las centenas de qubits. Por su parte, algunos expertos e investigadores confirman que hasta que no pasen por lo menos 15 años, no tendremos computadores cuánticos.

Las primeras computadoras eran enormes, ocupaban espacios amplios y pesaban varias toneladas. Sin embargo, con el avance de la tecnología, el invento del transistor reemplazó los tubos de vacío y fue fundamental en el proceso de reducir el tamaño de las computadoras, hasta el punto de que ahora caben en dispositivos portátiles como bolsillos o muñecas. De hecho, los transistores han experimentado una asombrosa miniaturización, siendo posible colocar alrededor de 10,000 transistores en el ancho de un cabello humano. Los procesadores actuales, en promedio, contienen unos impresionantes 50,000 millones de transistores, lo que refleja el increíble progreso en la capacidad de procesamiento y el tamaño de los dispositivos electrónicos.

¿Hay un límite para reducirlos? Sí, el átomo, porque dentro del átomo entramos al mundo cuántico y en el mundo cuántico todo funciona muy diferente a lo que conocemos de la física clásica y da paso a la física cuántica, nuestro mundo está gobernado por las leyes de la física determinista, porque gracias a sus leyes se puede determinar lo que sucederá con un cuerpo.

Sin embargo, a fines del siglo XIX ocurrió una catástrofe para la física, puesto que se descubrió un fenómeno imposible de explicar con sus leyes a este terrible fenómeno se le conoce como la catástrofe ultravioleta. La catástrofe ultravioleta es una situación en la que, si las teorías de la física clásica fueran completamente válidas, todos los cuerpos emitirían una enorme cantidad de radiación ultravioleta, lo que podría resultar peligroso e incluso mortal para los objetos calientes, incluyendo seres vivos como nosotros. Pero es falso porque en la vida real nadie se ha muerto de radiación ultravioleta por tomarse por ejemplo un café. ¿Entonces, cómo explicarlo? Muchos científicos intentaron explicar y propusieron teorías, pero nadie lo logró, así que en el año 1900 Max Planck pensó que, puesto que la catástrofe ultravioleta se saltaba las leyes de la física para explicarla, también había que saltarnos las leyes de la física e inventarnos una solución. Esta solución que rompía con las leyes de la física era la única manera de explicar la catástrofe ultravioleta y esta solución inventada propone que la energía no es continua, sino que toma valores específicos llamados cuantos.

Luego, experimentos posteriores como el efecto fotoeléctrico de Albert Einstein, demostraron que tenía razón, que existía una física diferente a la física tradicional, a la física clásica, que cumplía con unas leyes completamente diferentes y esto ocurría en el mundo subatómico.

En 1913, Niels Bohr propuso el modelo atómico, electrones girando en órbitas alrededor de un núcleo, y esas órbitas tienen una energía específica, o sea, que están cuantificadas, pero aquí está lo sorprendente de ese modelo atómico, los electrones pueden subir o bajar de orbita, absorbiendo o liberando energía. Los avances en la investigación sobre el mundo subatómico y la física cuántica despertaron un gran interés científico, lo que llevó a la realización de una serie de experimentos para profundizar en el conocimiento de esta fascinante área. Los hallazgos resultantes de estos experimentos fueron extraordinarios y reveladores, destacando varios descubrimientos de gran relevancia. Entre los principales logros alcanzados se encuentran los siguientes:

Superposición: Los estados se superponen por ejemplo un gato está vivo o está muerto, esto es obvio, pero en el mundo cuántico el gato puede estar vivo y muerto a la vez. En el contexto de la computación cuántica, un qubit posee una propiedad singular que lo diferencia de un bit clásico. Mientras que un bit tradicional puede representar únicamente los estados 0 o 1, un qubit tiene la capacidad de estar en una superposición de ambos estados simultáneamente. Es decir, un qubit puede existir en una combinación de cero y uno, o incluso en un rango continuo de valores entre cero y uno.

Para ilustrar esta peculiaridad, podemos considerar una analogía con una moneda clásica. Un bit se asemejaría a una moneda que muestra cara o cruz después de ser lanzada. En cambio, un qubit se compararía con una moneda que gira a gran velocidad y, debido a este rápido movimiento, muestra una mezcla de cara y cruz al mismo tiempo. Esta propiedad única de los qubits es esencial para su capacidad para realizar cálculos paralelos y para resolver ciertos problemas de manera mucho más eficiente que los computadores clásicos. Su capacidad para almacenar y manipular múltiples valores simultáneamente abre la puerta a un nuevo paradigma de cómputo, en el que se pueden explorar soluciones complejas y avanzadas en la resolución de problemas cuánticos.

Entrelazamiento dos partículas cuánticas pueden conectar sus estados, aunque estén muy separadas, incluso si están en galaxias diferentes, el mismísimo Einstein no lo creía y llamaba a esto acción fantasmagórica a distancia.

Interferencia, varias partículas pueden juntarse y combinarse cambiando el estado de la partícula resultante, dos partículas se unen y hay una nueva partícula resultante más poderosa, aunque a veces se cancelan entre ellas por ejemplo sucede con las olas del mar, cuando se juntan a veces se cancelan una a la otra o a veces al juntarse crean una ola mucho mayor.

Principio de incertidumbre de Heisenberg que dice que no se puede saber exactamente el estado de una partícula cuántica en un momento determinado, ya que al intentar medirlo lo modificamos un ejemplo de esto es el gato de Schrödinger es un famoso experimento mental que explica estos principios en el cual imagino un gato dentro de una caja cerrada dentro de esa caja hay un dispositivo que puede liberar un veneno que mata al gato, pero si el veneno se libera o no, depende del estado de una partícula subatómica, ya que las partículas subatómicas superponen sus estados y pueden estar en ambos a la vez, el gato está vivo y muerto a la vez. Ahora, se quiere saber en un momento exacto si el gato está vivo o muerto, se tendría que abrir la caja, así que lo que encontremos, gato vivo o gato muerto va a depender de que se abra la caja o no. En otras palabras, el estado del gato depende de que te acerques o no.

Imagen 2: Gato de Schrödinger. (2023, 30 de mayo). Wikipedia, La enciclopedia libre. Fecha de consulta: 18:41, mayo 30, 2023 desde https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Gato_de_Schr%C3%B6dinger&oldid=151540177.

El inicio de la computación cuántica y el concepto del qubit se sitúan en el año 1980, una época en la que las computadoras personales comenzaban a surgir y aún no existía la interfaz gráfica. Fue entonces cuando Paul Benioff, inspirado por los principios de la física cuántica, presentó un modelo cuántico de la célebre máquina de Turing. Esta propuesta marcó el punto de partida para explorar la aplicación de los principios cuánticos en la teoría de la computación y sentó las bases para el desarrollo de la computación cuántica como campo de estudio y de investigación.

En el año siguiente, es decir, en 1981, el destacado físico teórico Richard Feynman publicó un influyente artículo titulado «Simulando Física con Computadoras», en el cual planteó una sugerencia a la comunidad científica: desarrollar computadoras cuánticas. Su propuesta se fundamentaba en la limitación de las computadoras tradicionales para simular y estudiar adecuadamente los fenómenos que ocurren en el ámbito subatómico, gobernado por las leyes de la mecánica cuántica. Feynman argumentó que las características no clásicas y altamente complejas de los sistemas cuánticos requerían recursos computacionales exponencialmente mayores, lo que representaba un desafío insuperable para las computadoras convencionales. Por tanto, instó a explorar el uso de computadoras cuánticas, cuya base en los principios cuánticos les permitiría abordar de manera más eficiente y potente los problemas relacionados con el mundo subatómico. Esto dio inicio décadas de investigación para crear computadoras que funcionen con estas leyes del mundo cuántico, y eso implicaba comenzar su desarrollo e investigación desde cero, pues no se podía utilizar la computación tradicional. Este proceso tomó décadas, la principal diferencia entre una computadora cuántica y una binaria es que la binaria utiliza el bit como unidad de información que sólo puede tomar dos valores cero y uno, pero el qubit de la computación cuántica sigue las leyes del mundo cuántico, donde nada es lo que parece, por ejemplo, con la superposición, pueden hacerse millones de veces más operaciones que con los bits, ya que serían simultáneas sin el problema de los hilos que implique esperar a que un proceso termine para continuar con el siguiente, entrelazamiento de dos qubits o más pueden conectar sus estados y que cuando uno cambie comunique esos cambios a los otros qubits para que cambien a su vez, esto es como tener a muchas computadoras trabajando en paralelo y si a eso le sumamos la superposición y el aumento de velocidad es exponencial frente a la computación binaria y que decir de la interferencia, que un qubits puede interferir en el estado de otro potenciándolo o anulándolo, controlar la interferencia es uno de los retos más difíciles de la computación cuántica para no obtener datos erróneos.

A este punto puede que aparezcan preguntas como las siguientes: ¿Cómo se programa en las computadoras cuánticas? ¿El código para una computadora binaria funcionará en una computadora cuántica? la respuesta es no, porque una computadora cuántica no es solamente una versión más veloz de una computadora binaria, sino que es una computadora con una arquitectura completamente diferente; de hecho, sus compuertas lógicas ya no son and, or o not, sino la de Pauli, Hadamar, CNOT entre otras y no devuelven un valor como en la binaria, sino una matriz de valores, empresas como IBM, Google y Microsoft ha publicado kits de desarrollo cuánticos como los son:

Cirq es software libre de Google para la computación cuántica y está basado en Python; Qiskit es un kit de desarrollo de IBM, también basado en Python, es parte del quantum development Kit y Q# de Microsoft y que basado en C# .net; estos kits de desarrollo hacen todo el trabajo de transformar el código a instrucciones para computadoras cuánticas.

Ahora bien, la historia de la computación cuántica es fascinante y se remonta más de 100 años atrás como ya hemos mencionado, pero en adelante se presentan los hitos cronológicos más importantes:

  • 1900, Max Planck resuelve la catástrofe ultravioleta acuñando el termino cuantas, unidades de medida que, en lugar de cambiar gradualmente lo hacían en saltos.
  • 1913, Niels Bohr propone un modelo atómico cuántico que dice que los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas y pueden saltar entre, es decir, teletransportándose.
  • 1927 se publica el principio de incertidumbre de Heisenberg, que dice que no podemos conocer exactamente el estado de una partícula cuántica en un momento determinado.
  • En 1980, Paul Benioff propuso el concepto de una máquina de Turing cuántica, que, en lugar de utilizar bits convencionales, emplea qubits o bits cuánticos.
  • En 1981, Richard Feynman propuso desarrollar computadoras cuánticas para simular y estudiar fenómenos cuánticos, debido a las limitaciones de las computadoras tradicionales en entender el comportamiento cuántico. Su visión marcó el inicio de la investigación y desarrollo en el campo de la computación cuántica, con el objetivo de aprovechar las leyes del mundo cuántico para resolver problemas que exceden la capacidad de las computadoras clásicas.
  • 1992 se presenta el primer algoritmo cuántico por David Deutsch y Richard Josza, que demostraba que la computación cuántica puede hacer cálculos mucho más veloces que la computación binaria.
  • En el año 1994, se presentó el destacado algoritmo cuántico de Shor, el cual posee la capacidad de descomponer y resolver eficientemente problemas de factorización de números enteros, incluyendo aquellas encriptaciones que son consideradas las más robustas en la actualidad. Por eso se dice que con la computación cuántica ya no habría seguridad.
  • En 1994, se introdujo el algoritmo cuántico de Grover, el cual sobresale por su capacidad para llevar a cabo búsquedas en bases de datos con una velocidad notablemente superior a la que es alcanzada mediante la computación binaria convencional.
  • En el año 1998, se realizó la primera prueba experimental de una computadora cuántica, que contaba con dos qubits. En esa etapa, el desarrollo se encontraba en una fase exploratoria y de experimentación para entender y demostrar el funcionamiento de los qubits y las posibilidades de la computación cuántica.
  • 1999 se funda D Wave Systems.
  • 2011, D Wave lanza la primera computadora cuántica comercial la D Wave One. 2016 IBM introduce la computación cuántica en su nube IBM cloud.
  • En 2019, Google anuncia que alcanzaron la supremacía cuántica con su procesador Sycamore que podía realizar en 200 segundos, un cálculo que a una supercomputadora le tomaría 10.000 años. Sin embargo, IBM dijo que no tardarían 10 000 años, sino sólo 2 días y medio
  • 2021, en IBM anunciaron que ellos sí alcanzaron la supremacía cuántica con su computadora Eagle, como referencia, dijeron que se necesitaría una computadora del tamaño de todo el planeta Tierra para alcanzar el poder esta.
  • 2022 IBM presentó su procesador Osprey de 433 qubits, se supone que se deben alcanzar al menos 100.000 qubits para resolver problemas realmente significativos. Además, IBM indica que según su mapa de ruta a finales de este año tendrá listo su procesador Condor de 1.121 qubits.
  • 2024 IBM tiene planeado la llegada de su procesador cuántico Flamingo con al menos 1.386 qubits.
  • 2025 IBM espera tener listo Kookaburra con no menos de 4.158 qubits y a partir de este hito permitirá la interconexión de varios chips y así escalar el hardware cuántico entre los 10.000 y los 100.000 qubits.
  • 2030 la empresa Xanadu indica poder alcanzar a esta fecha un millón de qubits y corrección de errores empleando un procesador cuántico fotónico programable al que ha llamado Borelis y además de operar a temperatura ambiente resolviendo el problema de la refrigeración.

Si todo avanza según lo previsto, la computación cuántica podría tener un impacto significativo en áreas científicas como el diseño de nuevos materiales, la comprensión de reacciones químicas, criptografía y el desarrollo de fármacos, entre otros campos. Además, se espera que los nuevos procesadores cuánticos tengan la capacidad de enmendar sus propios errores y evitar la decoherencia cuántica, lo que supondría un avance significativo en esta área.

Además, se espera que estos nuevos procesadores cuánticos tengan la capacidad de enmendar sus propios errores, evitando la decoherencia cuántica, donde se pierden los efectos cuánticos y se convierte en un computador convencional.

Finalmente, la computación cuántica es una prometedora frontera de la ciencia y tecnología que ofrece posibilidades revolucionarias, pero aún se enfrenta a desafíos y necesita más investigación y desarrollo para alcanzar su máximo potencial. Con avances continuos en los próximos años, estaremos presenciando una nueva era en la historia de la computación.

Correo: henry.lizano@ucr.ac.cr      Teléfono: +(506) 2511-1811