La computación cuántica es un paradigma de computación distinto al de la computación clásica. Se basa en el uso de cúbits en lugar de bits, y da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos.
Para diferentes científicos la computación cuántica será el futuro de
las computadoras, aunque actualmente solo grandes empresas como Google y
la NASA han podido adquirít
Origen de la computación cuántica
A
medida que evoluciona la tecnología y se reduce el tamaño de los
transistores para producir microchips cada vez más pequeños, esto se
traduce en mayor velocidad de proceso. Sin embargo, no se pueden hacer
los chips infinitamente pequeños, ya que hay un límite tras 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 los suficientemente delgadas; 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 la computación cuántica entra 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 o 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 cúbits.
El número de cúbits indica la cantidad de bits que pueden estar
en superposición. Con los bits convencionales, si se tenía un registro
de tres bits, había ocho valores posibles y el registro sólo podía tomar
uno de esos valores. En cambio, si se tenía un vector de tres cúbits,
la partícula puede tomar ocho valores distintos a la vez gracias a la
superposición cuántica. Así, un vector de tres cúbits permitiría un
total de ocho operaciones paralelas. Como cabe esperar, el número de
operaciones es
exponencial con respecto al número de cúbits.
Para hacerse una idea del gran avance, un computador cuántico de 30 cúbits equivaldría a un procesador convencional de 10
teraflops (10 millones de millones de operaciones en coma flotante por segundo), actualmente la
supercomputadora Summit tiene la capacidad de procesar 200
petaflops.
Problemas de la computación cuántica
Uno de los obstáculos principales para la computación cuántica es el problema de la
decoherencia cuántica,
que causa la pérdida del carácter unitario (y, más específicamente, la
reversibilidad) de los pasos del algoritmo cuántico. Los tiempos de
decoherencia para los sistemas candidatos, en particular el tiempo de
relajación transversal (en la terminología usada en la tecnología de
resonancia magnética nuclear e imaginería por resonancia magnética) está
típicamente entre nanosegundos y segundos, a temperaturas bajas. Las
tasas de error son típicamente proporcionales a la razón entre tiempo de
operación frente a tiempo de decoherencia, de forma que cualquier
operación debe ser completada en un tiempo mucho más corto que el tiempo
de decoherencia. Si la tasa de error es lo bastante baja, es posible
usar eficazmente la
corrección de errores cuántica,
con lo cual sí serían posibles tiempos de cálculo más largos que el
tiempo de decoherencia y, en principio, arbitrariamente largos. Se cita
con frecuencia una tasa de error límite de 10
–4, por debajo de la cual se supone que sería posible la aplicación eficaz de la corrección de errores cuánticos.
Otro de los problemas principales es la escalabilidad,
especialmente teniendo en cuenta el considerable incremento en cúbits
necesarios para cualquier cálculo que implica la corrección de errores.
Para ninguno de los sistemas actualmente propuestos es trivial un diseño
capaz de manejar un número lo bastante alto de cúbits para resolver
problemas computacionalmente interesantes hoy en día.
Hardware para computación cuántica
Aún no se ha resuelto el problema de qué
hardware sería el ideal para la computación cuántica. Se ha definido una serie de condiciones que debe cumplir, conocida como la
lista de Di Vincenzo, y hay varios candidatos actualmente.
Ingenieros de Google trabajan (2018) en un procesador cuántico llamado "Bristlecone".
