No se trata de buscar soluciones, sino de plantearse nuevas preguntas.

                                                                                                         Albert Einstein

La Habana, Cuba. – La computación cuántica es distinta a la computación digital. A inicios del siglo XX, Max Planck y Albert Einstein proponen que la luz no es una onda continua sino que se divide en pequeños paquetes o cuantos. Esa idea, en apariencia simple, fue la solución a la «catástrofe del ultravioleta». En los años posteriores otros físicos desarrollaron más esas ideas y llegaron a conclusiones sorprendentes sobre la materia, aparece una nueva área de la física, la mecánica cuántica.

Esta teoría describe y explica el funcionamiento del mundo microscópico, hábitat natural de moléculas, átomos o electrones. Gracias a ella no solo se ha conseguido explicar esos fenómenos, sino que ha sido posible entender que la realidad subatómica funciona de forma completamente contra intuitiva, casi mágica, y que en el mundo microscópico tienen lugar sucesos que no ocurren en el mundo macroscópico.

Entre las propiedades cuánticas de esta disciplinase incluyen la superposición, el entrelazamiento y el teletransporte. La primera describe cómo una partícula puede estar en diferentes estados a la vez, mientras que el entrelazamiento cuántico describe cómo dos partículas, tan separadas como se desee, pueden estar correlacionadas de forma que, al interactuar con una, la otra se entera. Por último, el teletransporte cuántico utiliza el entrelazamiento para enviar información de un lugar a otro del espacio sin necesidad de viajar a través de él.

De estas propiedades solo dos interesan a la computación cuántica, la superposición de estados y el entrelazamiento.

Se debe recordar que en una computadora la unidad básica de información es el bit, que tiene dos estados posibles (1 ó 0) y con los que se realizan varias operaciones lógicas. (AND, NOT, OR). Teniendo N bits se pueden representar números y operar sobre ellos, pero limitadamente, solo se pueden representar hasta 2^N estados distintos y si se quiere cambiar a x bits se tienen que realizar al menos x operaciones sobre ellos, no hay otra forma. Pues bien, la superposición y el entrelazamiento permiten reducir esas limitaciones. Con la superposición se pueden almacenar muchos más que sólo 2^N estados con N bits cuánticos (qubits), y el entrelazamiento mantiene fijas ciertas relaciones entre qubits, de tal forma que las operaciones en un qubit afectan forzosamente al resto.

Para entender cómo funcionan las computadoras cuánticas es conveniente explicar primero cómo funcionan las computadoras digitales. Ellas, al igual que el resto de los dispositivos electrónicos como tabletas o teléfonos móviles, utilizan bits como unidades fundamentales de memoria, lo que significa que los programas y aplicaciones están codificadas en bits, es decir, en lenguaje binario de ceros y unos. Cada vez que se interactúa con cualquiera de esos dispositivos, por ejemplo, pulsando una tecla del teclado, se realizan operaciones sobre grupos de ceros y unos dentro de la computadora.Usted se podrá preguntar, ¿qué son físicamente los ceros y los unos dentro de la computadora? Pues, son dos estados que se corresponden con niveles de corriente eléctrica circulando, o no, a través de los componentes del equipo. Cuando no circula corriente, el componente está “apagado” y se corresponde con un bit 0, y cuando circula está “encendido” y se corresponde con un bit 1.

La unidad fundamental de información en computación cuántica es el quantum bit o qubit. Los qubits son, por definición, sistemas cuánticos de dos niveles, que al igual que los bits pueden estar en el nivel bajo, que se corresponde con un estado de baja excitación definido como 0, o en el nivel alto, que se corresponde con un estado de mayor excitación definido como 1. Sin embargo, y aquí radica la diferencia fundamental con la computación clásica, los qubits también pueden estar en cualquiera de los infinitos estados intermedios entre el 0 y el 1, como por ejemplo un estado que sea mitad 0 y mitad 1, o tres cuartos de 0 y un cuarto de 1. Ese fenómeno se conoce como superposición cuántica y es natural en sistemas cuánticos. Es importante indicar que el verdadero cambio de paradigma no consiste en hacer lo mismo que hacen las computadoras digitales, pero más rápido, como de forma errónea se puede interpretar. Los algoritmos cuánticos permiten realizar ciertas operaciones de una manera totalmente diferente, en muchos casos más eficiente, usando menos tiempo o utilizando menos recursos computacionales, que la computación digital.

Un ejemplo: Imagine que está en La Habana y desea saber cuál es la mejor ruta para llegar a Milán de entre un millón de opciones (N=1 000 000). Para encontrar el camino óptimo usando computadoras digitales se necesita calcular un millón de opciones, lo que implica traducirlas a bits para la computadora clásica y a qubits para la computadora cuántica. Mientras que la computadora clásica necesitará analizar uno a uno todos los caminos hasta encontrar el deseado, la computadora cuántica se aprovecha del proceso conocido como paralelismo cuántico que le permite considerar todos los caminos a la vez, lo que implica que, si bien la computadora clásica necesita del orden de N/2 pasos o iteraciones, es decir, 500 000 intentos, la computadora cuántica encontrará la ruta óptima tras solo ?N operaciones sobre el registro, es decir, 1000 intentos.Para ejemplificar las potencialidades de esos equipos: es frecuente contar que con unos 270 qubits se podrían tener más estados base en una computadora cuántica -más cadenas de caracteres diferentes y simultáneas- que el número de átomos en el universo, que se estima en torno a 2⁸⁰. Otro ejemplo, es que se estima que con una computadora cuántica de entre 2000 y 2500 qubits se podría romper prácticamente toda la criptografía utilizada hoy en día.

La superposición, si bien parece una bendición a primera vista, también es un problema. Tal y como demostraba Alexander Holevoen 1973, aunque se tengan más estados que se puedan guardar en N qubits, en la práctica sólo se pueden leer 2^N distintos. ¿Por qué? Un qubit no vale sólo 1 ó 0 como un bit normal, sino que puede ser un 1 en un 80% y un 0 en un 20%. El problema es que cuando se lee sólo se puede obtener o 1 ó 0, y las probabilidades que tenía cada valor de salir se pierden porque al medirlo se ha modificado. Recuerden el principio de incertidumbre de Heisenberg (es imposible medir simultáneamente de forma precisa la posición y el momento lineal de una partícula), Sugiero revisar el experimento del gato de Schrödinger o paradoja de Schrödinger.

Sin embargo, el principal problema al que se enfrenta la computación cuántica es construir las computadoras. Comparada con una computadora normal, una cuántica es una máquina extremadamente compleja: funcionan a una temperatura cercana al cero absoluto (-273 grados Celsius), el soporte de qubits son superconductores y los componentes para poder leer y manipular los qubits no son sencillos tampoco. Además, los qubits no suelen ser estables, en el sentido de que son muy sensibles a las perturbaciones y al ruido. Eso puede llevar a errores en los cálculos (por ejemplo, si la computadora calcula 1 + 1 y un qubit cambia por ruido, el resultado pudiera ser 3) o porque la computadora no sea  propiamente cuántica.

¿Que cómo puede ser una computadora cuántica no cuántica? Tal y como se explicó antes, los dos conceptos relevantes de una computadora cuántica son la superposición y el entrelazamiento, y sin ellos no pueden existir las mejoras de velocidad que prometen los algoritmos cuánticos. Si las perturbaciones de la computadora modifican a los qubits en superposición y los llevan a estados clásicos rápidamente, o si rompen el entrelazamiento entre varios qubits, lo que se tiene no es una computadora cuántica sino sólo una computadora extremadamente cara que sólo sirve para ejecutar algunos algoritmos de manera equivalente a una computadora normal (y probablemente genere resultados erróneos).

De las dos propiedades, el entrelazamiento es la más difícil de mantener y de probar que existe. Cuantos más qubits haya, más fácil es que uno de ellos se desentrelace (lo que explica por qué aumentar el número de qubits no es una tarea trivial). Y no basta con construir la computadora y ver que salen resultados correctos para decir que hay qubits entrelazados. Buscar evidencias de entrelazamiento es toda una tarea en sí misma y de hecho, la falta de evidencias es una de las principales críticas a los primeros sistemas de este tipo.

La época contemporánea se está sumergiendo en la transformación digital en la que distintas tecnologías emergentes como blockchain, inteligencia artificial, drones, Internet de las cosas, realidad virtual, 5G, impresoras 3D, robots y vehículos autónomos tienen cada vez más presencia. Esas tecnologías, llamadas a mejorar la calidad de vida del ser humano acelerando el desarrollo y generando un alto impacto económico y social, avanzan hoy en día de manera paralela, por lo que debemos conocerlas y aprovecharlas para poder crear el país que soñamos.

Ah, y recuerde, si me ve en algún lugar, me saluda.