Hacia la Computación Cuántica

Hace unos días, tuve la oportunidad de visitar el centro de investigación que IBM tiene al norte de Nueva York. EIBM Thomas J. Watson Research Center es una apuesta entre IBM y el MIT y donde se cuecen gran parte de los nuevos desarrollos que veremos en el mercado en los próximos meses. Desde la inteligencia artificial a la computación cuántica, pasando por el aprendizaje automático y las nuevas soluciones para Blockchain, sin olvidar de las cuestiones éticas de la tecnología, el trabajo que hacen en este centro es simplemente impresionante. Me gustó mucho la relación entre los mundos académicos y el industrial, con una misión clara de crear cosas que puedan ser utilizadas en el mundo real y que no se queden en el laboratorio únicamente e impacten en la vida de miles de personas.

Una de las áreas que más ganas tenía de ver, era el de los avances en Computación Cuántica. No en vano, siempre que hablo de Blockchain, el San Benito de la amenaza de este paradigma de computación suele ser una pregunta más que recurrente. Desde Clluc y Barrabés hace ya unos meses, montamos el grupo de QSupremacy para enterarnos de que iba esto, y para no perder el hilo de hacia donde podrían ir los tiros en los próximos meses, aunque es justo decir, que más que meses, todavía queda unos años hasta que podamos ver algo realmente con potencial comercial y fuera de los laboratorios.

¿Porqué QSupremacy fue la elección del nombre para nuestro grupo de trabajo? La respuesta es fácil, el nombre viene del concepto de Supremacía Cuántica,  algo así como un punto del tiempo, en el que se habrá conseguido crear una ordenador cuántico capaz de completar un cálculo matemático que no es factible de ser realizado ni por la computadora (clásica) más potente del planeta. Lo más divertido de la Supremacía Cuántica, es que no se sabe exactamente cuántas unidades de computación cuántica (o qubits, más abajo hablo de ellos), son necesarias para conseguirla y además se parte de la situación, que con las mejoras en la computación clásica, tanto en arquitecturas como en algoritmos, cuando parece que se está más cerca de conseguir, se escapa como el agua entre los dedos. A pesar de esto, más pronto que tarde, será un hecho que se logrará.

Del mismo modo que cuando apareció Bitcoin y a su calor Blockchain y decidimos dar el paso adelante para ver que teníamos entre manos, volvemos a las andadas con la cuántica porque no me cabe la menor duda que estamos ante algo que tendrá un impacto en nuestra Sociedad de proporciones que todavía trato de imaginarme. Dado que siempre las preguntas que se me hacen sobre cuántica son más o menos las mismas, he decidido crear este pequeño artículo explicar los conceptos más elementales y dar un poco de luz.

Pero ¡ojo!, yo soy ingeniero (y de los normales ;-)) y no físico teórico de partículas, y aunque estoy aprendiendo todo lo que puedo sobre este nuevo paradigma, me queda muchísimo camino aún que recorrer, sin embargo, me gustaría poder recorrerlo con vosotros, je, je e ir contando mis avances. De momento, en este artículo creo que puedo llegar a explicaros lo más simple de la computación cuántica de un modo asequible y correcto, claro.

Una de las primeras preguntas que se suelen (y me suelen) hacer está relacionada con la Ley de Moore y cómo se ha ido cumpliendo casi con precisión matemática el doblaje de la potencia de cómputo cada dos años (más o menos) a la vez que se reduce el tamaño de los circuitos y los costes. Debido a esto, hay quien piensa que con la llegada de los ordenadores cuánticos, estamos ante una sustitución tecnológica que viene para seguir cumpliendo con esta ley.

Bueno, realmente esto no es así, o al menos no del todo. Los ordenadores cuánticos son muy buenos para resolver determinado tipo de problemas, sobre todo aquellos que están relacionados con los fenómenos cuánticos. Los casos más claros son la industria farmacéutica y el desarrollo de nuevos medicamentos, o en el mundo de la industria con nuevos materiales con propiedades determinadas (materiales de construcción de edificios o en las baterías de nueva generación). Otro ejemplo, aparentemente más sencillo, lo tenemos en aquellos problemas que a medida que aumentamos en uno la cantidad de datos a procesar, evoluciona hacia un problema exponencial (habitualmente conocidos como NP complejos o NP-Hard), el más conocido es el caso del viajante de comercio (TSP por sus siglas en inglés o Travelling Salesman Problem) que tiene que pasar por todas las ciudades usando la ruta más corta posible, visitándolas exactamente una vez y regresando, al finalizar, a la ciudad origen. En este problema, aumentar en una ciudad adicional el viaje hace que buscar la solución rápidamente escale a ser un problema muy difícil para un ordenador tradicional.

Otro caso más, y éste me lo contaron en el centro de IBM, para simular todas las interacciones que pueden producirse dentro de la molécula de la cafeína (y sus fenómenos cuánticos), se requeriría de un ordenador cuántico de algo más de un centenar de qubits para hacerlo. Esto significa que no vamos a dejar de ver ordenadores de “los de toda la vida” en nuestros escritorios, puesto que para muchos problemas (aquellos que no están relacionados con estos fenómenos) seguirán siendo las máquinas más baratas y fáciles de usar.

¿Dónde está la magia de la computación cuántica?

Aquí aparece el primer concepto que tenemos que conocer, y es el de qubits o qbits o QBits (lo he visto escrito de las tres formas en diferentes sitios y no logro saber cual es la más correcta, incluso en español lo tenemos como Cúbit, serviros vosotros mismos).  Si un ordenador tradicional trabaja con 0s y 1s, que no es más que un estado eléctrico (o incluso óptico, si se basa en el uso de pulsos de luz) que representa a estos valores, un ordenador cuántico trabaja con esta nueva versión del concepto de bit y en donde la gracia, es el estado en el que se puede encontrar. De este modo, si un bit puede estar en un valor 0 u 1, un qubit puede estar en ambos estados (0 o 1) o en una combinación de ambos en un momento dado.

Espera un momento, ¿puede valer algo dos cosas diferentes a la vez?, ¿cómo es posible? Vamos a intentar aclararlo un poco y es que en el mundo cuántico, pasan cosas, que de no ser porque los científicos se están preocupando de explicarnos, casi podría ser considerado como mágico.

Hay varios ejemplos que explican este comportamiento, quizás el más famoso es el del gato de Schrödinger, aunque a mí me parece más claro si se explica con la idea de una moneda al aire que está girando. Es decir, si yo tiro una moneda al aire, mientras está dando vueltas, si alguien me preguntará si es cara o cruz, ¿qué le podría decir?, que hasta que no caiga al suelo, no podré saber su valor final, y que mientras está en el aire, el estado es tanto cara como cruz. Algo parecido sucede con un qubit, mientras se encuentra en un estado que se llama superposición, no sabemos el estado en el que se encuentra, solamente podemos decir que está tanto en 0 como en 1 con una cierta probabilidad.

Si para crear un bit, en el mundo clásico, usamos transistores por los que circula corriente (o luz), sin embargo los qubits, requieren un poco más de imaginación. En este caso, se usan partículas subatómicas (como un electrón o un fotón), que son los que se encargaran de actuar como un qubit. Existen diferentes tecnologías, por ejemplo, hay una empresa llamada IonQ, que usa un campo electromagnético para atrapar un átomo, otras usan un láser para conseguir hacer que el átomo quede parado, y en otros casos (IBM o Google) se simulan estos átomos mediante circuitos enfriados a una temperatura cercana al cero absoluto (-273º C), en estos casos, estos circuitos se convierten en superconductores, en donde, los efectos cuánticos comienzan a surgir del mismo modo que si se estuviese trabajando con un átomo particular. Independientemente de la técnica que se utilice, el objetivo siempre es igual, intentar aislar qubits en un estado controlado que nos permita su manipulación.

Los qubits tienen algunas propiedades que resultan un poco sorprendentes y que son las culpables que la misma cantidad de qubits tenga más potencia de procesamiento que la misma cantidad de bits binarios, estas propiedades son la superposición  y la otra se denomina entrelazamiento (o entanglement).

¿Qué es esto de la superposición y el entanglement?

Como os decía unas líneas más arriba con el ejemplo de la moneda, un qubit pueden representar cualquier combinación posible de 1 y 0 al mismo tiempo, propiedad que se conoce como superposición, es en este estado (y solo en este) cuando un ordenador cuántico es capaz de realizar su proceso de cálculo y efectuar operaciones de manera simultánea. El problema viene cuando queremos saber el resultado y estado final en el que se encuentran los qubits, en ese momento el estado cuántico finaliza (o se colapsa como se suele decir) y podemos saber si el valor del qubit es un 0 un 1 (junto con una función de probabilidad).

Cuando se produce este colapso, se dice que se produce decoherencia, y puede ocurrir por cualquier interacción, por mínima que sea, entre estos qubits y su entorno físico (un cambio de temperatura por ejemplo). Fijaros que es muy importante que estos qubits estén aislados del mundo exterior para evitar estas interacciones, y en gran parte  todo el hardware que acompaña a un ordenador cuántico, está destinado a mantener las condiciones optimas para su operación, por eso, que estas máquinas se asemejen a enormes neveras en donde no penetra ni la luz, no es por casualidad.

Si la superposición os puede resultar curiosa, el entanglement (o enredo) lo es aún más, pensar que para los científicos es una propiedad que no han logrado descifrar al 100%, e incluso hay una frase de Einstein, que aparece en muchos artículos que explican estas ideas, y donde lo describió como acción espeluznante a distancia“. El entanglement es una propiedad que se consigue cuando un par de qubits están relacionados, incluso aunque exista una distancia muy grande entre ellos. En esta situación, los dos miembros de ese par, existen en un estado cuántico único, y esto implica que si cambiamos el estado de uno de ellos cambiará de manera instantánea el estado del otro y además de una manera predecible (algo así como una especie de tele transportación de la información). Esta propiedad es la que hace que incrementar el número de qubits en un ordenador cuántico, incremente su capacidad de procesamiento de manera exponencial, en vez de simplemente duplicarla como ocurre al doblar el número de bits en una máquina clásica.

Buenos, pues por hoy lo dejamos aquí. Solamente deciros que desde finales del año pasado, me puse a escribir un nuevo libro titulado “¿Sueña la Blockchain con Ordenadores Cuánticos?” y que trata en profundidad estos conceptos (y otros muchos), desde la perspectiva de una persona que lleva mucho tiempo trabajando con la tecnología Blockchain y está viendo el potencial de los ordenadores cuánticos, no como una amenaza sino como una nueva oportunidad. Confío tenerlo antes todo corregido y bien montado para finales del mes de Marzo, ya os iré contando 😉

Nos vemos en la próxima.

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