La computación cuántica representa un avance radical en la manera en que procesamos información. A diferencia de los ordenadores clásicos que usan bits (0 o 1), los ordenadores cuánticos emplean cúbits, que pueden estar en múltiples estados simultáneamente gracias al fenómeno de la superposición. Además, estos cúbits pueden entrelazarse mediante el entrelazamiento cuántico, lo que significa que el estado de un cúbit está vinculado al de otro, independientemente de la distancia entre ellos.
Este comportamiento cuántico les permite realizar cálculos que serían imposibles para un ordenador clásico en tiempos razonables. Por ejemplo, podrían simular interacciones moleculares complejas, mejorar la criptografía actual o resolver problemas de optimización con muchas variables. Esto hace que sean especialmente prometedores para tareas como el desarrollo de nuevos materiales, simulaciones físicas avanzadas y la creación de sistemas de comunicación completamente seguros.
Cómo funciona la computación cuántica
La computación cuántica se basa en principios de la mecánica cuántica, principalmente en tres fenómenos clave: la superposición, el entrelazamiento y las llamadas «puertas cuánticas».
Superposición
En un ordenador clásico, los bits pueden estar en un estado de 0 o 1. En cambio, los cúbits (bits cuánticos) pueden estar en una superposición de ambos estados simultáneamente, lo que significa que pueden representar múltiples combinaciones de 0 y 1 al mismo tiempo. Esto permite una mayor capacidad de procesamiento en ciertas tareas.
Para imaginarlo, considera un bit clásico como una moneda con dos caras: una vez lanzada y antes de que caiga, está en una superposición, girando y mostrando ambas caras «a la vez». Este estado es explotado en la computación cuántica para realizar múltiples cálculos simultáneamente.
Entrelazamiento
Este fenómeno cuántico permite que los cúbits estén vinculados entre sí de tal manera que el estado de uno puede influir directamente en el estado de otro, incluso si están separados por grandes distancias. Si un cúbit se mide y cambia su estado, el otro cúbit también lo hará de forma inmediata, lo que permite procesar información de manera coordinada a una escala sin precedentes.
Este entrelazamiento cuántico es crucial para la creación de ordenadores cuánticos capaces de realizar cálculos complejos, ya que permite que múltiples cúbits trabajen en conjunto de manera más eficiente que los bits clásicos.
Puertas cuánticas
Al igual que las puertas lógicas en un ordenador clásico, los cúbits son manipulados a través de puertas cuánticas, que operan sobre estados cuánticos y permiten realizar operaciones lógicas. La diferencia es que las puertas cuánticas permiten cambios en los estados superpuestos y entrelazados de los cúbits, explotando las propiedades cuánticas únicas para ejecutar algoritmos especializados.
Materiales que usa la computación cuántica
La computación cuántica utiliza una variedad de materiales y tecnologías para construir cúbits, dependiendo del enfoque que se adopte. Algunos de los principales incluyen:
Iones atrapados: Se utilizan átomos cargados eléctricamente (iones) que se manipulan mediante campos eléctricos y láseres.
Cúbits superconductores: Utilizan circuitos superconductores, que permiten la circulación de corriente sin resistencia a temperaturas cercanas al cero absoluto. Estos cúbits se controlan mediante técnicas de fotolitografía.
Fotones: Los cúbits se pueden formar utilizando la polarización de los fotones, permitiendo una computación cuántica basada en luz.
Defectos en cristales: Centros de defectos como los defectos de vacantes de nitrógeno en diamantes pueden actuar como cúbits al ser manipulados mediante luz y campos magnéticos.
Cada uno de estos enfoques busca lograr una mayor estabilidad y resistencia a la decoherencia, además de mejorar la escalabilidad de los sistemas cuánticos.
Estado actual de la computación cuántica
Actualmente, la computación cuántica está en sus primeras fases, con algunos prototipos funcionales. Empresas como IBM y Google han desarrollado ordenadores cuánticos con menos de 100 cúbits, y en 2019 se alcanzó un hito importante cuando un ordenador cuántico superó a un superordenador clásico en una tarea específica, lo que se conoce como supremacía cuántica.
Sin embargo, los desafíos son numerosos. Los cúbits son extremadamente inestables y susceptibles a los entornos externos, lo que provoca que pierdan su estado cuántico en un proceso llamado decoherencia. Para que los ordenadores cuánticos puedan abordar problemas prácticos y ser útiles de manera generalizada, necesitan miles de cúbits, lo que incrementa significativamente la posibilidad de errores.
Existen diferentes enfoques para superar estos desafíos, como el desarrollo de cúbits más robustos y técnicas que permitan minimizar los errores. También se están explorando métodos alternativos, como el recocido cuántico, que si bien es más limitado, ya ha sido aplicado en áreas como la optimización logística.
A pesar de las dificultades, el campo de la computación cuántica avanza rápidamente. Si bien las aplicaciones prácticas a gran escala pueden tardar años en llegar, los progresos actuales sugieren que esta tecnología transformará profundamente áreas clave de la ciencia y la tecnología. Tal como ocurrió con los ordenadores clásicos en sus inicios, es probable que las aplicaciones futuras de la computación cuántica nos sorprendan de maneras que aún no podemos prever completamente.
Imagen de portada: bpawesome (Getty Images/iStockphoto)
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