¿Qué es la Computación Cuántica?

«Las máquinas me sorprenden con mucha frecuencia.»
Alan Mathison Turing

El año pasado se celebró el centenario del nacimiento de Alan Turing. Tras los últimos premios otorgados a científicos que trabajan en el campo de la computación cuántica parece un buen momento para explicar, a nivel básico, qué es un ordenador cuántico y en qué punto se encuentra su desarrollo.

En los últimos años, los ordenadores clásicos han experimentado un gran aumento en la velocidad de procesamiento. La miniaturización del tamaño de sus componentes ha facilitado el incremento de la densidad de los circuitos electrónicos que los integran. En 1995, Gordon Moore vaticinó que el número de transistores de un microprocesador se multiplicaría por dos cada dos años. Y esta ley, que se ha venido cumpliendo hasta ahora, cuenta con una limitación: cuando el tamaño de los transistores presenta medidas atómicas las leyes más fundamentales de la física cambian. Los electrones experimentan comportamientos cuánticos y pueden moverse entre distintas líneas de corriente por “efecto túnel”. Esto produce la aparición de fugas que interfieren en el funcionamiento del circuito. El progreso técnico llega a su fin.

Pero los principios de la cuántica, que limitan la dimensión de los microcircuitos de los ordenadores clásicos, son el germen de una nueva revolución computacional. La física cuántica deja de ser una teoría abstracta, misteriosa y antiintuitiva para convertirse en útil, para ser clave en el desarrollo de una futura teoría de la información.  Los primeros físicos teóricos que, en las décadas de 1970 y 1980, propusieron aplicar los fenómenos cuánticos al terreno de la computación fueron Richard Feynmann, Paul Benioff, David Deutsch y Charles Bennett.

Los algoritmos

La resolución de problemas en un ordenador se realiza a través de algoritmos que son conjuntos precisos de instrucciones. Su eficiencia se evalúa a partir del ritmo en el que se incrementa el tiempo de resolución del problema, a medida que aumenta el tamaño de los datos de entrada. La mecánica cuántica ha introducido nuevos algoritmos que permiten resolver problemas a velocidades increíblemente superiores a las de los más avanzados ordenadores actuales.

David Deutsch, junto a Richard Jozsa, fueron pioneros en el campo de la computación cuántica al formular en 1992 el primer algoritmo cuántico: el algoritmo de Deutsch-Jozsa. Éste fue mejorado en 1998 por Richard Cleve, Artur Ekert, Chiara Macchiavello y Michele Mosca.

En 1994, Peter Shor, de los Laboratorios Bell, describió el primer gran algoritmo cuántico, diseñado para factorizar números grandes (de varios centenares de dígitos) en un tiempo record. La dificultad que tiene la computación clásica en la factorización de estos números se utiliza actualmente en los códigos de seguridad. Por tanto, el algoritmo de Shor, que puede realizar esta operación con extrema rapidez, se convierte en el sueño de cualquier hacker.

Peter Shor

Dos años más tarde, en 1996, Lov Grover descubrió el segundo gran algoritmo cuántico que permite llevar a cabo búsquedas inversas en extensas bases de datos. El tiempo de ejecución es muy inferior al que se necesita en un ordenador convencional, si bien no se da una reducción de tiempo tan acusada entre los dos tipos de computación como en el caso del algoritmo de Shor.

Lov Grover

Por el momento, no se han descrito más algoritmos cuánticos. Esto se debe a que, si bien los ordenadores producen gran cantidad de operaciones simultáneas en paralelo, la medición obtiene un único resultado. Es decir, se pierde la información de las otras posibilidades asociadas al resto de estados superpuestos. Por tanto, cualquier nuevo algoritmo que se cree tendrá que expresar la información deseada en una sola medida.

La potencia del ordenador cuántico

En el cómputo cuántico la unidad mínima de información es el qubit (quantum bit) que, a diferencia del bit que sólo puede tomar los valores 0 y 1, se encuentra en una superposición simultánea de dos estados cuánticos I0> y I1>. Por extensión, en dos qubits se da una superposición de los estados I00>, I01>, I10> y I11> y en N qubits se encuentran simultáneamente superpuestos 2^N estados. Esta superposición cuántica permite la posibilidad de realizar un procesamiento paralelo a gran escala. Es decir, la capacidad operacional de un ordenador cuántico aumenta exponencialmente con el tamaño del mismo, el número de qubits.

El estado de un qubit puede verse como un punto en la superficie de una esfera (llamada esfera de Bloch). En esta representación los polos de la esfera representan los bits clásicos «0» y «1» y todos los demás puntos son las distintas posibilidades que puede tomar un qubit.

Al margen de la superposición cuántica de estados, otro fenómeno clave que explica la gran potencia de los ordenadores cuánticos es el entrelazamiento. Dos sistemas cuánticos entrelazados  mantienen un vínculo tal que, a pesar de la distancia que haya entre ellos, no pueden describirse separadamente. La aplicación estrella del entrelazamiento cuántico es la teletransportación. A partir de ésta, el cambio en el estado cuántico de uno de los sistemas se teletransporta instantáneamente al sistema cuántico lejano. Es importante señalar que lo que se teletransporta es la información, no la materia. Así pues, en el caso de la computación cuántica, se transmiten qubits sin enviar qubits.

El principal problema al que tiene que hacer frente la computación cuántica es el efecto de la decoherencia. Ésta consiste en la pérdida de información del sistema debido a la interferencia del ambiente en la superposición de estados. En consecuencia, los modelos físicos deben cumplir unos requisitos imprescindibles para actuar como un ordenador cuántico. Por un lado, los qubits deben estar tan aislados del entorno como sea posible para evitar los efectos de la decoherencia y, por el otro, debe permitirse una interacción controlada con otros qubits para poder crear los estados entrelazados y, posteriormente, proceder a la lectura del resultado.

De lo expuesto, parece que los errores provocados por la decoherencia podrían ser nefastos para la consecución del cálculo, sin embargo, se están desarrollando métodos basados en la propia teoría cuántica para corregirlos. Recientemente, se ha publicado un artículo en la revista Nature: “Quantum physics: Cruise control for a qubit,” por Howard M. Wiseman, sobre la implementación experimental de un método teórico de control realimentado de la decoherencia cúantica que había sido formulado en 2002.

Implementación física

Existen diversos sistemas físicos que cumplen con los requerimientos necesarios para ser ordenadores cuánticos. Se han hecho ordenadores de muy pocos qubits y aún no se puede determinar con seguridad qué sistema físico es el idóneo. Uno de los problemas que tienen algunos de los prototipos, es la falta de escalabilidad a ordenadores que cuenten con los qubits necesarios para desarrollar aplicaciones de interés práctico. Esto se debe a que, a medida que aumenta el número de qubits, se hace más difícil mantener su estabilidad y se requiere el desarrollo de complejos métodos de detección de errores.

En 1995 los físicos Juan Ignacio Cirac y Peter Zoller idearon el esquema básico para construir ordenadores cuánticos con trampas de iones. Explicaron cómo podía hacerse algo que hasta entonces era una idea abstracta, una mera entelequia teórica. Dieron un paso fundamental que, como veremos, acaba de recibir su justo reconocimiento.

En general, los principales candidatos a ordenadores cuánticos son los sistemas físicos óptico-cuánticos en los cuales los qubits son átomos (o iones) y su manipulación se realiza mediante luz láser; los sólidos cuyos qubits pueden ser pares de electrones en un lado u otro de un potencial, o  bien, electrones en distintos estados de un punto cuántico y los sistemas basados en la resonancia magnética nuclear, en cuyo caso, los qubits son los átomos de una molécula y las lecturas de los resultados se obtienen mediante la técnica de resonancia magnética nuclear.

Los puntos cuánticos pueden imaginarse como “átomos artificiales” en los cuales los electrones confinados se encuentran en niveles energéticos similares a los que tendrían en un átomo pero en ausencia de campo electromagnético externo.

Lo cierto es que se sucede la publicación de artículos sobre implementaciones de qubits en sistemas físicos. Algunos de los más recientes han sido el  almacenamiento de un qubit durante tres minutos en una memoria cuántica basada en silicio (artículo de la revista Science de Christoph Boehme, Dane R. McCamey, “Nuclear-Spin Quantum Memory Poised to Take the Lead,” del 8 Junio de 2012) y el entrelazamiento de un fotón al espín de un electrón confinado en un punto cuántico (artículo de la revista Nature de Sophia E. Economou, “Quantum physics: Putting a spin on photon entanglement,” del 15 de Noviembre de 2012).

¿Y el Premio Nobel de 2012?

Las investigaciones premiadas con el Nobel de Física de 2012, tienen una implicación directa en el avance de la computación cuántica, en la implementación física de los qubits. En palabras de la Academia Sueca: “Sus métodos innovadores han permitido dar los primeros pasos hacia la construcción de un nuevo tipo de ordenador superrápido basado en la física cuántica”

Los galardonados son Serge Haroche, de la Escuela Normal Superior de París y David Wineland, del Instituto Nacional de Normas y Tecnología de EEUU en Maryland. Tal y como reza el comunicado de la Real Academia de Ciencias de Suecia: “Los premiados han abierto la vía a una nueva era de experimentación en la física cuántica al demostrar la observación directa de partículas cuánticas individuales sin destruirlas”. Ambos han logrado manipular sistemas cuánticos formados por una única partícula sin que ésta pierda sus propiedades cuánticas, que, por tanto, podrán medirse.

Wineland empleó fotones para medir el estado cuántico de átomos o iones atrapados en una trampa, mientras que Haroche lo consiguió mediante la estrategia opuesta: creó una trampa para fotones y analizó sus propiedades cuánticas mediante átomos.

Physics Laureates Serge Haroche (right) and David J. Wineland (left) during their interview with Nobelprize.org on 6 December 2012.
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Photo: Niklas Elmehed

En realidad, las técnicas para atrapar las partículas cuánticas individuales (fotones o átomos/iones), no son la novedad, y ya habían sido premiadas, la aportación que ha valido el Nobel en esta ocasión es la posibilidad de medir y estudiar los estados cuánticos de las partículas atrapadas. Si recordamos la paradoja del gato de Schrödinger podemos decir que el gran logro ha sido saber si el gato estaba vivo o no sin abrir la caja.

Para resumir:

El Premio Wolf

En cuanto a premios de prestigio internacional, la computación cuántica está en racha. El premio Wolf de 2013 ha sido concedido a Juan Ignacio Cirac y a Peter Zoller por sus “revolucionarias contribuciones teóricas al procesado de información cuántica, la óptica cuántica y la física de gases cuánticos.”

Estos premios son otorgados por la Fundación Wolf, que fue creada en 1975 por Ricardo Wolf, un inventor y diplomático de origen alemán, y se consideran la antesala de los Nobel. Los galardones se conceden en seis campos: agricultura, química, matemáticas, medicina, física y artes.

Como hemos visto, su contribución en la implementación física de los ordenadores cuánticos fue fundamental para el desarrollo de los mismos. Y su trabajo no se ha limitado al caso de la computación sino que han aplicado la teoría de la información cuántica a otros casos como es la construcción de simuladores.

En palabras de Cirac a la web de Physicsworld: “Es un gran honor recibir el premio Wolf. Creo que es justo decir que este premio también reconoce el trabajo de los científicos que han colaborado con nosotros. Solo somos dos representantes de los muchos científicos que han hecho grandes contribuciones al campo de la información cuántica, un campo en pleno auge, que sigue avanzando y atrayendo a muchas comunidades diferentes de científicos.”

Medalla de Honor del Instituto Niels Bohr

El profesor Juan Ignacio Cirac también ha sido galardonado con la medalla de honor del Instituo Niels Bohr “en reconocimiento a su verdaderamente extraordinaria contribución al desarrollo de nuevas teorías sobre el futuro de las redes informáticas basadas en las leyes de la mecánica cuántica.”

La medalla de honor se creó en 2010 con motivo de la celebración del 125 aniversario del nacimiento del físico Niels Bohr. Se otorga anualmente y premia a aquellos científicos que en sus investigaciones siguen el espíritu científico de Bohr: cooperación internacional e intercambio de conocimiento.

Conclusión

Como hemos comentado, por el momento los ordenadores cuánticos que se han construido disponen de un número muy limitado de qubits para resolver problemas de interés, sin embargo, la propia academia sueca ya apunta que “no hay motivo para pensar a priori que no sea posible conseguir estas operaciones con muchos más qubits”.

Los continuos avances en las realizaciones prácticas de los diferentes modelos teóricos parecen indicar que el ordenador cuántico estará entre nosotros antes de lo que podíamos creer, pero aún así, es difícil aventurarse a dar una fecha aproximada. El propio Cirac, en una entrevista a ABC ha apuntado que es muy posible que aún se tarde varias décadas. En fin, en esta situación y recuperando las palabras del gran físico Niels Bohr:

“Hacer predicciones es muy difícil, especialmente cuando se trata del futuro.”
Niels Bohr

MATERIAL COMPLEMENTARIO

Para aquellos que os habéis quedado con ganas de más, añado algunos enlaces que pueden resultaros interesantes:

– Computación cuántica por Nasser Darwish Miranda

– Científicos de frontera: Juan Ignacio Cirac”

– Computación cuántica por Sergi Baila

– El ordenador Insuperable por David Deutsch.

– Informática Cuántica Historia, Modelos y Algoritmos.

– Archivos sobre el premio Nobel: versión sencilla y versión avanzada

– Ignacio Cirac: «Ya tenemos la receta para construir un ordenador cuántico» por josé manuel nieves en abc_ciencia

– Ignacio Cirac gana el premio Wolf de física, la antesala del Nobel por Josep Corbella para La Vanguardia

– Video entrevista a  Juan Ignacio Cirac

Para todos La 2 – Entrevista: Juan Ignacio Cirac, «Computadores cuánticos»

• Para todos La 2 – Entrevista: Juan Ignacio Cirac, «Computadores cuánticos»