Ordenadores cuánticos

Un sólo ordenador cuántico sería como millones normales

La física cuántica ha permitido al físico austríaco Erwin Schrödinger contar la historia de un gato que moría solo con mirarle y ha sustentado la hipótesis de que la observación del cosmos puede haber acelerado su desaparición. Sus predicciones son tan extrañas que el propio Einstein no creía que pudiesen ser ciertas. Sin embargo, esta extraña disciplina funciona y es real, y promete ordenadores extremadamente potentes que pueden cambiar el mundo.

Ignacio Cirac (Manresa, 1965), que acaba de recibir junto al investigador de la Universidad de Innsbruck (Austria) Peter Zoller el Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento “por su trabajo en la ciencia de la información cuántica”, es uno de los investigadores que más han aportado para intentar domeñar ese universo.

«Una información codificada con física cuántica sería segura frente a los hackers»

¿Cómo es posible que una ciencia que predice un mundo tan subjetivo, en el que algo no existe hasta que una persona toma conciencia de su existencia, puede llegar a ser práctica y utilizada de una forma universal?

Eso es lo curioso, pero es lo que ha pasado en la historia de la ciencia. En principio, uno tiene curiosidad, descubre algo, dice “qué raro es”, y después vienen otras personas que vuelven a estudiarlo y se dan cuenta de que eso tan raro sirve para hacer cosas extraordinarias, que no se podían hacer con las leyes usuales. Y aquí pasa lo mismo. Con algo muy extraño de la naturaleza, se pueden hacer cosas útiles.

¿Por ejemplo?
«Aún no dominamos el mundo microscópico como para hacer ordenadores cuánticos»

Se puede utilizar para comunicar mensajes secretos. De alguna forma, cuando alguien envía un mensaje secreto empleando la física cuántica, si una persona no autorizada lo quiere leer, lo mira y destruye la información. No hay forma de interceptar esa comunicación.

Tendría que saber cómo mirar, para no destruir el objeto.

Sí, aprovechando unas propiedades extrañas de la física cuántica, sabría que, mirando de una forma adecuada, puede observarlo sin destruirlo. Por un lado, permitiría ver si alguien no autorizado está mirando, porque en ese caso el mensaje se destruiría, y eso ya te da una información y, por otro, sólo deja mirar a la persona autorizada.
«Científicos como Einstein no creían que la naturaleza fuese tan extraña»

¿Ha sido posible lograr avances prácticos, más allá del campo estrictamente teórico?

La física cuántica es una teoría muy vieja, fue descubierta hace 100 años, pero algunos aspectos de la teoría cuántica eran tan oscuros que mucha gente, como el propio Einstein, no se los creía, porque decían que la naturaleza no podía ser tan extraña. Pero desde hace unos 20 años, el desarrollo tecnológico ha permitido comprobar y verificar muchos de estos fenómenos, y ahora ya estamos seguros de que son reales. Ahora puede haber unos 100 laboratorios en todo el mundo que están trabajando con estas leyes.

¿Puede mencionarme alguna aplicación concreta?

Dentro del campo de la comunicación, está muy desarrollada e incluso existe alguna compañía que vende sistemas cuánticos para este fin; se están haciendo experimentos con satélites para transmitir mensajes vía satélite.

¿Cómo afectaría la aplicación de los fenómenos cuánticos a la gestión de la información?

Un ordenador cuántico procesaría la información con las leyes de la física cuántica y eso hace que gane en eficiencia. Cálculos grandes y complejos se podrían hacer de una manera mucho más eficiente. Es como si se procesase a la vez, en paralelo. Con un sólo ordenador, es como si tuvieses millones, esa es un poco la idea. La física cuántica permite propiedades físicas que toman distintos valores a la vez y eso es lo que el ordenador cuántico aprovecha para poder hacer cálculos extraordinarios. Pero aún no tenemos ningún ordenador cuántico.

También han realizado experimentos de teletransporte.

Hemos desarrollado algunas teorías y hecho trabajos conjuntamente con otros grupos en los que las propiedades de un objeto desaparecen de un lugar y aparecen en otro. Por ejemplo, las propiedades de unos fotones, de alguna forma, se esfuman de la luz y aparecen en un conjunto de átomos que está a un metro y medio de distancia.

¿Es algo similar a lo que se hizo en Canarias, donde se teletransportó información entre Tenerife y La Palma?

La utilidad de ese experimento está más orientada hacia la criptografía. Para hacer criptografía, se necesita enviar fotones de un sitio a otro y los fotones se absorben. Eso no nos permite llegar a largas distancias. Los equipos que venden algunas compañías funcionan para cinco o seis kilómetros de distancia. Para enviar información cuántica por cable sin que esos fotones desaparezcan, son necesarios repetidores cuánticos que envían un poco de información a una distancia pequeña y luego teletrasportan una propiedad allí, luego teletransportan otro cantidad y vuelven a enviar. De esta forma, se puede evitar la absorción de fotones.

¿Empleando el teletransporte, sería posible enviar información más rápido que la luz?

Está prohibido por la física enviar información más rápido que la luz, tendría unas consecuencias terribles; está prohibido. Lo que se puede hacer es enviar información de una manera tan secreta que ni el mejor hacker pueda descifrarla y de forma mucho más eficiente. Se puede enviar mucha más información en menos pasos y se puede comprimir la información.

¿Cuáles son los obstáculos que impiden pasar de la teoría a la práctica para construir un ordenador cuántico?

El problema fundamental para construir ordenadores cuánticos es que tenemos que dominar el mundo microscópico. Por ahora podemos hacer experimentos para probar nuestras teorías con cinco átomos o diez. Para construir un ordenador cuántico, necesitaríamos 10.000, 100.000 o un millón. Y eso es un paso muy grande. Es un problema experimental y tecnológico, hay que desarrollar una tecnología para dominar ese mundo. Por ahora, no somos capaces de hacerlo.

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La computación cuántica es un paradigma de computación distinto al de la computación clásica. Se basa en el uso de qubits en lugar de bits, y da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos. Una misma tarea puede tener diferente complejidad en computación clásica y en computación cuántica, lo que ha dado lugar a una gran expectación, ya que algunos problemas intratables pasan a ser tratables. Mientras un computador clásico equivale a una máquina de Turing, un computador cuántico equivale a una máquina de Turing indeterminista.

La empresa canadiense D-Wave Systems había supuestamente presentado el 13 de febrero de 2007 en Silicon Valley, una primera computadora cuántica comercial de 16-qubits de propósito general; luego la misma compañía admitió que tal máquina llamada Orion no es realmente una Computadora Cuántica, sino una clase de máquina de propósito general que usa algo de mecánica cuántica para resolver problemas.

Origen de la computación cuántica

A medida que evoluciona la tecnología, aumenta la escala de integración y caben más transistores en un espacio, así se fabrican microchips cada vez más pequeños, y es que, cuanto más pequeño es, mayor velocidad de proceso alcanza el chip. Sin embargo, no podemos hacer los chips infinitamente pequeños. Hay un límite en el cual dejan de funcionar correctamente. Cuando se llega a la escala de nanómetros, los electrones se escapan de los canales por donde deben circular. A esto se le llama efecto túnel. Una partícula, si se encuentra con un obstáculo, no puede atravesarlo y rebota. Pero con los electrones, que son partículas cuánticas y se comportan como ondas, existe la posibilidad de que una parte de ellos pueda atravesar las paredes si son demasiado finas; de esta manera la señal puede pasar por canales donde no debería circular. Por ello, el chip deja de funcionar correctamente. En consecuencia, la computación digital tradicional no tardaría en llegar a su límite, puesto que ya se han llegado a escalas de sólo algunas decenas de nanómetros. Surge entonces la necesidad de descubrir nuevas tecnologías y es ahí donde entra la computación cuántica.

La idea de computación cuántica surge en 1981, cuando Paul Benioff expuso su teoría para aprovechar las leyes cuánticas en el entorno de la computación. En vez de trabajar a nivel de voltajes eléctricos, se trabaja a nivel de cuanto. En la computación digital, un bit sólo puede tomar dos valores: 0 ó 1. En cambio, en la computación cuántica, intervienen las leyes de la mecánica cuántica, y la partícula puede estar en superposición coherente: puede ser 0, 1 y puede ser 0 y 1 a la vez (dos estados ortogonales de una partícula subatómica). Eso permite que se puedan realizar varias operaciones a la vez, según el número de qubits.

El número de qubits indica la cantidad de bits que pueden estar en superposición. Con los bits convencionales, si teníamos un registro de tres bits, había ocho valores posibles y el registro sólo podía tomar uno de esos valores. En cambio, si tenemos un vector de tres qubits, la partícula puede tomar ocho valores distintos a la vez gracias a la superposición cuántica. Así un vector de tres qubits permitiría un total de ocho operaciones paralelas. Como cabe esperar, el número de operaciones es exponencial con respecto al número de qubits. Para hacerse una idea del gran avance, un computador cuántico de 30 qubits equivaldría a un procesador convencional de 10 teraflops (millones de millones de operaciones en punto flotante por segundo) cuando actualmente las computadoras trabajan en el orden de gigaflops (miles de millones de operaciones).

Problemas de la computación cuántica

Uno de los obstáculos principales para la computación cuántica es el problema de la decoherencia cuántica, que causa la pérdida del caracter unitario (y, más específicamente, la reversibilidad) de los pasos del algoritmo cuántico. Los tiempos de decoherencia para los sistemas candidatos, en particular el tiempo de relajación transversal (en la terminología usada en la tecnología de resonancia magnética nuclear e imaginería por resonancia magnética) está típicamente entre nanosegundos y segundos, a temperaturas bajas. Las tasas de error son típicamente proporcionales a la razón entre tiempo de operación frente a tiempo de decoherencia, de forma que cualquier operación debe ser completada en un tiempo mucho más corto que el tiempo de decoherencia. Si la tasa de error es lo bastante baja, es posible usar eficazmente la corrección de errores cuánticos, con lo cual sí sería posible tiempos de cálculo más largos que el tiempo de decoherencia y, en principio, arbitrariamente largos. Se cita con frecuencia una tasa de error límite de 10-4, por debajo de la cual se supone que sería posible la aplicación eficaz de la corrección de errores cuánticos.

Otro de los problemas principales es la escalabilidad, especialmente teniendo en cuenta el considerable incremento en qubits necesarios para cualquier cálculo que implica la corrección de errores. Para ninguno de los sistemas actualmente propuestos es trivial un diseño capaz de manejar un número lo bastante alto de qubits para resolver problemas computacionalmente interesantes hoy en día.

Hardware para computación cuántica

Aún no se ha resuelto el problema de qué hardware sería el ideal para la computación cuántica. Se ha definido una serie de condiciones que debe cumplir, conocida como la lista de Di Vinzenzo, y hay varios candidatos actualmente.

Condiciones a cumplir

* El sistema ha de poder inicializarse, esto es, llevarse a un estado de partida conocido y controlado.
* Ha de ser posible hacer manipulaciones a los qubits de forma controlada, con un conjunto de operaciones que forme un conjunto universal de puertas lógicas (para poder reproducir a cualquier otra puerta lógica posible).
* El sistema ha de mantener su coherencia cuántica a lo largo del experimento.
* Ha de poder leerse el estado final del sistema, tras el cálculo.
* El sistema ha de ser escalable: tiene que haber una forma definida de aumentar el número de qubits, para tratar con problemas de mayor coste computacional.

Candidatos

* Espines nucleares de moléculas en disolución, en un aparato de RMN
* Flujo eléctrico en SQUIDs
* Iones suspendidos en vacío
* Puntos cuánticos en superficies sólidas
* Imanes moleculares en micro-SQUIDs
* Computadora cuántica de Kane

Procesadores

En 2004, científicos del Instituto de Física aplicada de la Universidad de Bonn publicaron resultados sobre un registro cuántico experimental. Para ello utilizaron átomos neutros que almacenan información cuántica, por lo que son llamados qubits por analogía con los bits. Su objetivo actual es construir una puerta cuántica, con lo cual se tendrían los elementos básicos que constituyen los procesadores, que son el corazón de los computadores actuales. Cabe destacar que un chip de tecnología VLSI contiene actualmente más de 100.000 puertas, de manera que su uso práctico todavía se presenta en un horizonte lejano.

Transmisión de datos

Científicos de los laboratorios Max Planck y Niels Bohr publicaron, en noviembre de 2005, en la revista Nature, resultados sobre la transmisión de información cuántica, usando la luz como vehículo, a distancias de 100 km. Los resultados dan niveles de éxito en las transmisiones de 70%, lo que representa un nivel de calidad que permite utilizar protocolos de transmisión con autocorrección.

Actualmente se trabaja en el diseño de repetidores, que permitirían transmitir información a distancias mayores a las ya alcanzadas.

Software para computación

Algoritmos cuánticos

Los algoritmos cuánticos se basan en un margen de error conocido en las operaciones de base y trabajan reduciendo el margen de error a niveles exponencialmente pequeños, comparables al nivel de error de las máquinas actuales.

* Algoritmo de Shor
* Algoritmo de Grover
* Algoritmo de Deutsch-Jozsa

Modelos

* Computadora cuántica de Benioff
* Computadora cuántica de Feynman
* Computadora cuántica de Deutsch

Complejidad

La clase de complejidad BQP estudia el costo de los algoritmos cuánticos con bajo margen de error.

Problemas propuestos

Se ha sugerido el uso de la computación cuántica como alternativa superior a la computación clásica para varios problemas, entre ellos:

* Factorización de números enteros
* Logaritmo discreto
* Simulación de sistemas cuánticos

Cronología

Años 80

A comienzos de la década de los 80, empezaron a surgir las primeras teorías que apuntaban a la posibilidad de realizar cálculos de naturaleza cuántica.

1981 – Paul Benioff

Las ideas esenciales de la computación cuántica surgieron de la mente de Paul Benioff que trabajaba en el Argone National Laboratory en Illinois (EE.UU.). Teorizó un ordenador tradicional (máquina de Turing) operando con algunos principios de la mecánica cuántica.

1981-1982 Richard Feynman

El Dr. Richard Feynman, físico del California Institute of Technology en California (EE.UU.) y ganador del premio Nobel en 1965 realizó una ponencia durante el “First Conference on the Physics of Computation” realizado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (EE.UU.) Su charla, bajo el título de “Simulating Physics With Computers” proponía el uso de fenómenos cuánticos para realizar cálculos computacionales y exponía que dada su naturaleza algunos cálculos de gran complejidad se realizarían más rápidamente en un ordenador cuántico.

1985 – David Deutsch

Este físico israelí de la Universidad de Oxford, Inglaterra, describió el primer computador cuántico universal, es decir, capaz de simular cualquier otro computador cuántico (principio de Church-Turing ampliado). De este modo surgió la idea de que un computador cuántico podría ejecutar diferentes algoritmos cuánticos.

Años 90

En esta época la teoría empezó a plasmarse en la práctica: aparecieron los primeros algoritmos cuánticos, las primeras aplicaciones cuánticas y las primeras máquinas capaces de realizar cálculos cuánticos.

1993 – Dan Simon

Desde el departamento de investigación de Microsoft (Microsoft Research), surgió un problema teórico que demostraba la ventaja práctica que tendría un computador cuántico frente a uno tradicional. Comparó el modelo de probabilidad clásica con el modelo cuántico y sus ideas sirvieron como base para el desarrollo de algunos algoritmos futuros (como el de Shor).

1993 – Charles Benett

Este trabajador del centro de investigación de IBM en Nueva York descubrió el teletransporte cuántico y que abrió una nueva vía de investigación hacia el desarrollo de comunicaciones cuánticas.

1994-1995 Peter Shor

Este científico estadounidense de AT&T Bell Laboratories definió el algoritmo que lleva su nombre y que permite calcular los factores primos de números a una velocidad mucho mayor que en cualquier computador tradicional. Además su algoritmo permitiría romper muchos de los sistemas de criptografía utilizados actualmente. Su algoritmo sirvió para demostrar a una gran parte de la comunidad científica que observaba incrédula las posibilidades de la computación cuántica, que se trataba de un campo de investigación con un gran potencial. Además, un año más tarde, propuso un sistema de corrección de errores en el cálculo cuántico.

1996 – Lov Grover

Inventó el algoritmo de búsqueda de datos que lleva su nombre. Aunque la aceleración conseguida no es tan drástica como en los cálculos factoriales o en simulaciones físicas, su rango de aplicaciones es mucho mayor. Al igual que el resto de algoritmos cuánticos, se trata de un algoritmo probabilístico con un alto índice de acierto.

1997 – Primeros experimentos

En 1997 se iniciaron los primeros experimentos prácticos y se abrieron las puertas para empezar a implementar todos aquellos cálculos y experimentos que habían sido descritos teóricamente hasta entonces. El primer experimento de comunicación segura usando criptografía cuántica se realiza con éxito a una distancia de 23 Km. Además se realiza el primer teletransporte cuántico de un fotón.

1998 – 1999 Primeros Qbit

Investigadores de Los Álamos y el Instituto Tecnológico de Massachusets consiguen propagar el primer Qbit a través de una solución de aminoácidos. Supuso el primer paso para analizar la información que transporta un Qbit. Durante ese mismo año, nació la primera máquina de 2-Qbit, que fue presentada en la Universidad de Berkeley, California (EE.UU.) Un año más tarde, en 1999, en los laboratorios de IBM-Almaden, se creó la primera máquina de 3-Qbit y además fue capaz de ejecutar por primera vez el algoritmo de búsqueda de Grover.

Año 2000 hasta ahora

2000 – Continúan los progresos

De nuevo IBM, dirigido por Isaac Chuang (Figura 4.1), creó un computador cuántico de 5-Qbit capaz de ejecutar un algoritmo de búsqueda de orden, que forma parte del Algoritmo de Shor. Este algoritmo se ejecutaba en un simple paso cuando en un computador tradicional requeriría de numerosas iteraciones. Ese mismo año, científicos de Los Álamos National Laboratory (EE.UU) anunciaron el desarrollo de un computador cuántico de 7-Qbit. Utilizando un resonador magnético nuclear se consiguen aplicar pulsos electromagnéticos y permite emular la codificación en bits de los computadores tradicionales.

2001 – El algoritmo de Shor ejecutado

IBM y la Universidad de Stanford, consiguen ejecutar por primera vez el algoritmo de Shor en el primer computador cuántico de 7-Qbit desarrollado en Los Álamos. En el experimento se calcularon los factores primos de 15, dando el resultado correcto de 3 y 5 utilizando para ello 1018 moléculas, cada una de ellas con 7 átomos.

2005 – El primer Qbyte

El Instituto de “Quantum Optics and Quantum Information” en la universidad de Innsbruck (Austria) anunció que sus científicos habían creado el primer Qbyte, una serie de 8 Qbits utilizando trampas de iones.

2006 – Mejoras en el control del cuanto

Científicos en Waterloo y Massachusetts diseñan métodos para mejorar el control del cuanto y consiguen desarrollar un sistema de 12-Qbits. El control del cuanto se hace cada vez más complejo a medida que aumenta el número de Qbits empleados por los computadores.

2007 – D-Wave

La compañía canadiense D-Wave presenta públicamente su primer computador cuántico de 16 Qbit. Entre las aplicaciones que presenta para su sistema, se encuentra un sistema gestor de bases de datos y un algoritmo que soluciona Sudokus. Todo ello a través de una interficie gráfica similar a la utilizada en los computadores actuales, tratándose del primer acercamiento de la computación cuántica al mundo comercial y no tan científico.

2007 – Bus cuántico

En septiembre de 2007, dos equipos de investigación estadounidenses, el National Institute of Standards (NIST) de Boulder y la Universidad de Yale en New Haven consiguieron unir componentes cuánticos a través de superconductores. De este modo aparece el primer bus cuántico, y este dispositivo además puede ser utilizado como memoria cuántica, reteniendo la información cuántica durante un corto espacio de tiempo antes de ser transferido al siguiente dispositivo.

2008 – Almacenamiento

Según la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) de los EEUU, un equipo de científicos consiguió almacenar por primera vez un Qubit (el equivalente a un “bit” del “mundo clásico”, pero en el “mundo cuántico”) en el interior del núcleo de un átomo de fósforo, y pudieron hacer que la información permaneciera intacta durante 1.75 segundos. Este peridodo puede ser expandible mediante métodos de correccion de errores, por lo que es un gran avance en el almacenamiento de información.

2009 – Procesador cuántico de estado sólido

El equipo de investigadores estadounidense dirigido por el profesor Robert Schoelkopf, de la universidad de Yale, que ya en 2007 desarrollaron el Bus cuántico, crean el primer procesador cuántico de estado sólido, mecanismo que se asemeja y funciona de forma similar a un microprocesador convencional, aunque con la capacidad de realizar sólo unas pocas tareas muy simples, como operaciones aritméticas o búsquedas de datos. Para la comunicación en el dispositivo, esta se realiza mediante fotones que se desplazan sobre el bus cuántico, circuito electrónico que almacena y mide fotones de microondas, aumentando el tamaño de un átomo artificialmente.

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Los ordenadores cuánticos llegarán mucho antes de lo previsto

Computación CuánticaHace décadas que científicos, ingenieros y medios de comunicación hablan de los ordenadores cuánticos, del enorme poder de computación que tendrán y de que serán capaces de realizar cálculos hoy en día inabordables, pero lo cierto es que los años han ido pasando y el silicio se ha seguido manteniendo como la punta de lanza indiscutible de los sectores de la informática, la electrónica y la microelectrónica. Este reinado, eso sí, podría llegar a su fin en los próximos años.

El poder de los computadores cuánticos reside en la extraña manera en que la materia se comporta a nivel subátomico. A esa escala, las partículas como los electrones se rigen por leyes que no responden a la física normal. Tanto es así, que en el mundo cuántico una partícula puede estar en dos lugares al mismo tiempo. Es más, puede estar en dos estados diferentes a la vez, ya sea como partícula o como onda.

Los ordenadores actuales trabajan con bits, que pueden tener un valor de 0 ó 1. En cambio, en la computación cuántica intervienen las leyes de la mecánica cuántica y la partícula puede estar en superposición coherente: es decir, puede ser 0 ó 1 pero puede ser también un 0 y un 1 al mismo tiempo. Tal circunstancia permite que se puedan realizar varias operaciones a la vez, según el número de qubits (bits cuánticos).

Os pongo un ejemplo muy sencillo para que veáis la potencia que tendrá la computación cuántica: en la actualidad, en un registro de 2 bits tenemos hasta 4 valores posibles (00, 01, 10, 11) pero sólo podemos utilizar uno de esos valores al mismo tiempo para realizar una operación. En cambio, si tenemos un vector de 2 qubits, la partícula puede tomar los 4 valores distintos a la vez.

De la misma manera, si tuviéramos un registro de 3 bits tendríamos 8 valores posibles (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111) pero seguiríamos pudiendo coger uno sólo, mientras que en el caso de los qubits tendríamos la posibilidad de trabajar con los 8 al mismo tiempo gracias a la superposición cuántica.

Un hipotético computador cuántico de 30 qubits equivaldría a un procesador convencional de 10 teraflops (1012 operaciones en punto flotante por segundo). Una enormidad si tenemos en cuenta que los microprocesadores más avanzados de la actualidad corren a “apenas” unos cuantos gigaflops (109 operaciones por segundo). Como veis, el poder de computación de los ordenadores cuánticos será bestial.

Los datos son impresionantes, pero… ¿cuándo se empezarán a comercializar los primeros computadores cuánticos? Anton Zeilinger, un físico cuántico de la Universidad de Viena, es de la opinión que muy pronto. Los avances logrados en los últimos tiempos han llevado a este investigador a afirmar que en 20 años utilizaremos los ordenadores cuánticos en nuestro día a día de manera habitual.

De la misma opinión es David Deutsch, un físico de la Universidad de Oxford, que, al igual que Zeilinger, no hace tanto pensaba que deberíamos esperar un número indeterminado de años para ver ordenadores cuánticos en funcionamiento, pero que ahora ha cambiado de forma de pensar y cree que en sólo unos años podremos contemplar los primeros modelos comerciales.

Así pues, si ambos investigadores están en lo cierto, los primeros ordenadores cuánticos estarán disponibles mucho antes de lo que podíamos imaginar. Será cuestión de comprobar entonces si su capacidad de cálculo es realmente tan descomunal como se muestra sobre el papel.

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