Computación cuántica explicada: Cómo funciona y por qué es importante

Gigantes tecnológicos como Google, IBM, Amazon y Microsoft están invirtiendo recursos masivos en computación cuántica. El objetivo es crear la próxima generación de computadoras y superar los límites de la computación clásica.

A pesar del progreso, aún quedan áreas desconocidas en este campo emergente.

Este artículo es una introducción a los conceptos básicos de la computación cuántica. Aprenderá qué es la computación cuántica y cómo funciona, así como qué distingue a un dispositivo cuántico de una máquina estándar.

¿Qué es la computación cuántica? Definición

La computación cuántica es una nueva generación de computadoras basada en la mecánica cuántica, una rama de la física que estudia partículas atómicas y subatómicas. Estos superordenadores realizan cálculos a velocidades y niveles que un ordenador ordinario no puede manejar.

Estas son las principales diferencias entre un dispositivo cuántico y un escritorio normal:

• Arquitectura diferente: Los ordenadores cuánticos tienen una arquitectura distinta a los dispositivos convencionales. Por ejemplo, en lugar de memorias o procesadores basados en silicio tradicionales, se utilizan diferentes plataformas tecnológicas, como circuitos superconducentes e iones atómicos atrapados.
• Casos de uso computacionalmente intensivos: Un usuario ocasional podría no tener mucho uso para un ordenador cuántico. El enfoque computacional pesado y la complejidad de estas máquinas los hacen adecuados para entornos corporativos y científicos en el futuro previsible.

A diferencia de un ordenador estándar, su contraparte cuántica puede realizar múltiples operaciones simultáneamente. Estas máquinas también almacenan más estados por unidad de datos y operan con algoritmos más eficientes.

Su increíble poder de procesamiento hace que los ordenadores cuánticos sean capaces de resolver tareas complejas y buscar en datos no ordenados.

¿Para qué se usa la computación cuántica? Casos de uso en la industria

La adopción de ordenadores más potentes beneficia a todas las industrias. Sin embargo, algunas áreas ya destacan como excelentes oportunidades para que los ordenadores cuánticos dejen su huella:

• Salud: Los ordenadores cuánticos ayudan a desarrollar nuevos fármacos a un ritmo más rápido. La investigación de ADN también se beneficia enormemente del uso de la computación cuántica.
• Ciberseguridad: La programación cuántica puede avanzar en el cifrado de datos. El nuevo sistema de Distribución Cuántica de Claves (QKD), por ejemplo, usa señales de luz para detectar ciberataques o intrusos en la red.
• Finanzas: Las empresas pueden optimizar sus carteras de inversión con ordenadores cuánticos. También son probables mejoras en sistemas de detección de fraude y simulación.
• Transporte: Los ordenadores cuánticos pueden llevar a avances en sistemas de planificación de tráfico y optimización de rutas.

¿Qué son los qubits?

La clave detrás del poder de un ordenador cuántico es su capacidad para crear y manipular bits cuánticos, o qubits.

Este es el estado de un qubit q₀:

q0 = a|0⟩ + b|1⟩, donde a2 + b2 = 1

La probabilidad de que q₀ sea 0 al medirse es a². La probabilidad de que sea 1 al medirse es b². Debido a la naturaleza probabilística, un qubit puede ser tanto 0 como 1 al mismo tiempo.

Para un qubit q₀ donde a = 1 y b = 0, q₀ es equivalente a un bit clásico de 0. Hay un 100% de probabilidad de obtener un valor de 0 al medir. Si a = 0 y b = 1, entonces q₀ es equivalente a un bit clásico de 1. Por tanto, los bits binarios clásicos de 0 y 1 son un subconjunto de los qubits.

Ahora, veamos un circuito vacío en el Compositor de Circuitos de IBM con un solo qubit q₀ (Figura 1). El gráfico de «Probabilidades de medición» muestra que q₀ tiene un 100% de ser medido como 0. El gráfico de «Vector de estado» muestra los valores de a y b, que corresponden a la columna «estados de base computacional 0 y 1», respectivamente.

En el caso de la Figura 1, a es igual a 1 y b a 0. Así, q₀ tiene una probabilidad de 1² = 1 de ser medido como 0.

Un grupo conectado de qubits proporciona más poder de procesamiento que la misma cantidad de bits binarios. La diferencia en el procesamiento se debe a dos propiedades cuánticas: superposición y entrelazamiento.

Superposición en la computación cuántica

Cuando 0 < a y b < 1, el qubit está en un estado de superposición. En este estado, es posible saltar a 0 o 1 al medir. La probabilidad de obtener 0 o 1 está definida por a² y b².

La Puerta Hadamard es la puerta básica en computación cuántica. Mueve el qubit de un estado de no superposición de 0 o 1 a un estado de superposición. Mientras está en superposición, hay una probabilidad de 0.5 de que se mida como 0 y una probabilidad de 0.5 de que termine como 1.

Veamos el efecto de agregar la Puerta Hadamard (mostrada como una H roja) en q₀ donde q₀ está actualmente en un estado de no superposición de 0 (Figura 2). Tras pasar la puerta Hadamard, el gráfico de «Probabilidades de medición» muestra que hay un 50% de probabilidad de obtener un 0 o 1 cuando se mide q₀.

El gráfico de «Vector de estado» muestra los valores de a y b, que son ambas raíces cuadradas de 0.5 = 0.707. La probabilidad de que el qubit se mida como 0 y 1 es 0.707² = 0.5, por lo que q₀ ahora está en un estado de superposición.

¿Qué son las mediciones?

Cuando medimos un qubit en un estado de superposición, el qubit salta a un estado de no superposición. Una medición cambia el qubit y lo fuerza a salir de la superposición al estado de 0 o 1.

Si un qubit está en un estado de no superposición de 0 o 1, medirlo no cambiará nada. En ese caso, el qubit ya está en un estado de 100% siendo 0 o 1 al medirse.

Agreguemos una operación de medición al circuito (Figura 3). Medimos q₀ después de la puerta Hadamard y enviamos el valor de la medición al bit 0 (un bit clásico) en c1:

Para ver los resultados de la medición de q₀ tras la puerta Hadamard, enviamos el circuito a ejecutar en un ordenador cuántico real llamado «ibmq_armonk». Por defecto, hay 1024 ejecuciones del circuito cuántico. El resultado (Figura 4) muestra que aproximadamente el 47.4% de las veces, la medición de q₀ es 0. El otro 52.6% de las veces, se mide como 1:

La segunda ejecución (Figura 5) produce una distribución diferente de 0 y 1, pero aún cercana a la división esperada del 50/50:

Entrelazamiento en la computación cuántica

Si dos qubits están en un estado de entrelazamiento, la medición de un qubit «colapsa» instantáneamente el valor del otro. El mismo efecto ocurre incluso si los dos qubits entrelazados están lejos.

Veamos un ejemplo. Una operación cuántica que pone dos qubits no entrelazados en un estado entrelazado es la puerta CNOT. Para demostrar esto, primero agregamos otro qubit q₁, que se inicializa a 0 por defecto. Antes de la puerta CNOT, los dos qubits no están entrelazados, por lo que q₀ tiene un 0.5 de probabilidad de ser 0 o 1 debido a la puerta Hadamard, mientras que q₁ será 0. El gráfico de «Probabilidades de medición» (Figura 6) muestra que la probabilidad de (q₁, q₀) siendo (0, 0) o (0, 1) es 50%:

Luego agregamos la puerta CNOT (mostrada como un punto azul y el signo más) que toma la salida de q₀ de la puerta Hadamard y q₁ como entradas. El gráfico de «Probabilidades de medición» ahora muestra que hay un 50% de probabilidad de (q₁, q₀) siendo (0, 0) y 50% de siendo (1, 1) al medir (Figura 7):

Hay cero probabilidad de obtener (0, 1) o (1, 0). Una vez determinamos el valor de un qubit, conocemos el del otro porque ambos deben ser iguales. En tal estado, q₀ y q₁ están entrelazados.

Ejecutemos esto en un ordenador cuántico real y veamos qué pasa (Figura 8):

Estamos cerca de una distribución 50/50 entre los estados '00' y '11'. También vemos ocurrencias inesperadas de '01' y '10' debido a las altas tasas de error del ordenador cuántico. Mientras que las tasas de error en ordenadores clásicos son casi inexistentes, las altas tasas de error son el principal desafío de la computación cuántica.

El circuito Bell es solo un punto de partida

El circuito mostrado en la sección «Entrelazamiento» se llama circuito Bell. Aunque es básico, muestra algunos conceptos y propiedades fundamentales de la computación cuántica: qubits, superposición, entrelazamiento y mediciones. El circuito Bell se cita a menudo como el programa «Hola Mundo» para la computación cuántica.

Probablemente ahora tenga muchas preguntas, como:

• ¿Cómo representamos físicamente el estado de superposición de un qubit?
• ¿Cómo medimos físicamente un qubit y por qué eso lo forzaría a 0 o 1?
• ¿Qué son exactamente |0⟩ y |1⟩ en la formulación del qubit?
• ¿Por qué a² y b² corresponden a la probabilidad de que un qubit se mida como 0 y 1?
• ¿Cuáles son las representaciones matemáticas de las puertas Hadamard y CNOT? ¿Por qué las puertas ponen los qubits en estados de superposición y entrelazamiento?
• ¿Podemos explicar el fenómeno del entrelazamiento?

No hay atajos para aprender computación cuántica. El campo abarca temas complejos que abarcan física, matemáticas e informática.

Hay una abundancia de buenos libros y tutoriales en video que introducen la tecnología. Estos recursos suelen cubrir conceptos previos como álgebra lineal, mecánica cuántica y computación binaria.

Además de libros y tutoriales, también puede aprender mucho de ejemplos de código. Soluciones para optimización de carteras financieras y enrutamiento de vehículos, por ejemplo, son excelentes puntos de partida para aprender sobre computación cuántica.

El siguiente paso en la evolución de la computación

Los ordenadores cuánticos tienen el potencial de superar incluso a los superordenadores más avanzados. La computación cuántica puede llevar a avances en ciencia, medicina, aprendizaje automático, construcción, transporte, finanzas y servicios de emergencia.

La promesa es evidente, pero la tecnología aún está lejos de ser aplicable a escenarios reales. Surgen nuevos avances cada día, así que espere que la computación cuántica cause disrupciones significativas en los próximos años.