El ordenador cuántico a inicios de 2017 2

qubits atrapados
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En los últimos años la electrónica ha avanzado enormemente gracias a la microelectrónica. Al ser capaces de reducir considerablemente el tamaño de los transistores, hemos sido capaces de fabricar cada vez más pequeños y complejos sistemas eléctricos y dotarlos de mayores capacidades. Uno de los sistemas que más ha evolucionado son los ordenadores. Tanto la capacidad como la velocidad de las computadoras se ha visto incrementada enormemente con cada nueva generación de transistores y circuitos integrados. En la actualidad, la miniaturización de los transistores y de los circuitos integrados parece que ha llegado a su fin, pues se ha llegado a niveles de nanométros en los que entran en conflicto con la Física Cuántica. Cosas como el efecto túnel, por el cual los electrones se escapan de los canales fijados, hacen que el control de la electricidad a tan pequeña escala sea impredecible.

En la actualidad parece que la formula para conseguir un ordenador más potente es entrar de lleno en el mundo cuántico. Por esa razón una gran cantidad de equipos científicos centran sus esfuerzos en conseguir construir un ordenador cuántico.

Los ordenadores actuales se basan en el sistema binario. Toda la información que procesa un ordenador es reducida a unos y ceros que se «escriben» en las memorias mediante campos eléctromagnéticos que «llenan» o «vacían» las celdas en las que se divide la memoria. Por lo tanto cada celda representa un bit, y puede estar vacía, 0, o llena, 1. Cada ocho celdas forman un byte que es la mínima unidad de información. Un byte corresponde a un caracter.

Por esta razón las capacidades de las computadoras están tan ligadas a los elementos físicos o hardware. Tienen una capacidad igual al número de celdas que posean, y estas ocupan espacio.

Por otro lado, la velocidad de una computadora está ligada a la capacidad de realizar operaciones de su procesador. Pero para realizar estas operaciones, el ordenador recurre a los elementos físicos para leer y escribir la información y los pasos intermedios, por lo tanto, depende de la velocidad con la que se reconocen, llenan o vacían las celdas de memoria.

Por estas razones el problema del desarrollo de la nueva generación de transistores y circuitos integrados está tan ligada al desarrollo de los ordenadores.

qubit
Representación de un qubit

Las posibilidades que presenta un ordenador cuántico basado en qubits o cubits, sobre el papel, son muchas y supondría un salto enorme en el desarrollo de la tecnología. El principio en el que se basa es que si sustituimos las celdas por partículas cuánticas, que son ya de partida mucho más pequeñas. Además mientras que un bit solo puede estar en estado 0 o 1, el qubit puede estar en 0, 1 o ambos a la vez. Gracias a esta capacidad debida a la coherencia de las partículas cuánticas, un ordenador cuántico seria capaz de realizar varias operaciones a la vez, reduciendo así el tiempo de procesamiento.

Para entender un poco la mejoría que esto supondría vamos a poner como ejemplo el sistema de cifrado de clave asimétrica. Este es en la actualidad el sistema de cifrado más usado. Consta de dos claves, una pública y otra privada. Para conseguir obtener por combinaciones una clave de por ejemplo 128 bits, son necesarias 2128-1 operaciones. En los ordenadores clásicos el tiempo necesario para completar las operaciones es tan alto que se considera indescifrable. Pero un ordenador cuántico rompería la clave en un tiempo aceptable.

Como definición técnica, un qubit tiene una función de onda definida por una combinación de estados |Ψ›, (α|0›+β|1›), de forma que cada estado de un qubit queda definido dentro de una esfera, la esfera de Bloch. Cada qubit puede estar en cualquier posición de la esfera, pero cuando lo observamos para medirlo, lo colapsamos, y queda definido por los estados |0› y |1›. Por otro lado la proyección de la esfera sobre el eje z define el espín (si apunta hacia arriba o hacia abajo).

Esto quiere decir que si somos capaces de construir un ordenador cuántico, seriamos capaces de multiplicar exponencialmente la capacidad de uno clásico. Pero por desgracia esto no es tan fácil. Para empezar, no sabemos tanta física cuántica como para manejarla a nuestro antojo, y además las condiciones físicas de trabajo requeridas son complicadas de obtener. Pero no hay que perder la esperanza. Poco a poco se van dando pasos para lograr el objetivo deseado.

Por ejemplo, para trabajar con partículas sería necesario confinarlas en un espacio dado. Hace poco comentábamos la construcción de un ordenador cuántico de cinco qubits atrapados mediante campos magnéticos y láseres. Otra opción es ralentizar las partículas hasta pararlas bajando la temperatura. Hasta hace poco no eramos capaces de enfriar un objeto a temperaturas cercanas a los cero grados Kelvin (0ºK) pero un equipo del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de los Estados Unidos ha conseguido enfriar un objeto a temperaturas cercanas. Con esta capacidad en las computadoras podremos «atrapar» las partículas necesarias para construir las memorias.

Por otro lado, una vez conseguido un sistema estable debemos saber como utilizarlo a gran escala. En la Universidad de Tohoku han sido capaces de desarrollar un sistema complejo de inteligencia artificial basado en el espintrónica. La espintrónica es un análogo a la electrónica clásica de 0 y 1 pero basada en el espín de las partículas que puede ser ±1/2.

Pero lo más importante es la capacidad de manejar la Física Cuántica a nuestra voluntad, y esto parece lo más difícil. Para que el ordenador cuántico funcione, debemos mantener las partículas dentro del mundo cuántico, pero estas, de forma aleatoria pasan a las leyes clásicas dejando inservible el sistema. Esto se llama decoherencia. Un equipo de la Universidad australiana de Sidney, usando técnicas de procesamiento de datos de Big Data, ha sido capaz de predecir la decoherencia de un sistema de partículas y aplicar los cambios necesarios para mantenerlas dentro de las leyes cuánticas.

El año 2016 ha sido un año de avances en materia de comunicación cuántica y esperamos que el 2017 no se quede atrás y quien sabe, puede ser que en el 2018 podamos comentar el primer prototipo de ordenador cuántico programable y con capacidad de almacenamiento.

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