Un salto cuántico
Más allá de la Era del Silicio
Imagínese la posibilidad de un ordenador con una velocidad desconocida hasta ahora, con capacidad para resolver cálculos que dejarían fuera de combate a un ordenador actual y de permitir líneas de comunicación más seguras. ¿Imposible en un próximo futuro? En realidad, diversos investigadores piensan que este tipo de máquina, en forma de “ordenador cuántico”, podría salir de sus laboratorios para finales de la década.
Sin embargo, el ordenador cuántico más grande producido hasta la fecha es un dispositivo de 5 bits creado por el Almaden Research Center de IBM, integrado en una única molécula.
El concepto de utilizar la física cuántica para realizar cómputos simultáneos con cantidades enormes de información se ha estado gestando ya desde los años 80. No obstante, hace sólo cinco años que la informática cuántica se ha convertido en un área de interés importante para quienes desarrollan teorías sobre el proceso de datos en todo el mundo.
A diferencia de un ordenador convencional, un ordenador cuántico podría procesar todo tipo de datos de entrada simultáneamente mediante una serie de “switches” o conmutadores cuánticos conectados en paralelo. En realidad, sería la forma más perfecta de proceso en paralelo imaginable, manejando la información en una forma que resulta imposible para los ordenadores convencionales, que siguen las reglas de la lógica binaria; es decir, distinguiendo entre dos estados diferentes.
En un sistema binario, cada bit de información está en on o en off, uno o cero, verdadero o falso. Un ordenador convencional forma una serie de combinaciones de unos y ceros para representar porciones de información, mientras que los ordenadores cuánticos están formados por partículas cuánticas tales como electrones y núcleos atómicos. Cada partícula representa un bit cuántico o “qubit”. Los qubits difieren de los bits convencionales en que un átomo o núcleo puede estar en un estado de “superposición”, actuando como un uno y un cero simultáneamente. Los ordenadores cuánticos aprovechan el comportamiento y las propiedades de los átomos de tal manera que potencialmente pueden ofrecer velocidades millones de veces mayores que las de los superordenadores actuales. Por ejemplo, si se tienen dos qubits, podrían existir simultáneamente como una combinación de todos los posibles números de dos bits: 00, 01, 10 y 11. Si se añade un tercer bit, se tendría una combinación de todos los posibles números de tres bits: 000, 001, 100, 110 y 111. Este sistema se expande en progresión geométrica: una cantidad n de qubits puede representar 2n números al mismo tiempo. Así, si se dispone de sólo 50 qubits, podrían representarse todos los números binarios desde cero a más de un billón simultáneamente.
Superando obstáculos
Un obstáculo importante al que se enfrentan los investigadores en el desarrollo de ordenadores cuánticos es conseguir que los qubits conserven su superposición, es decir, la capacidad de ser ambos -o uno y otro- un uno o un cero. La observación de un ordenador cuántico permite que una interferencia externa como la luz o el ruido pueden ejercer cierta influencia sobre los qubits y hacer que se colapsen, dejando sólo un ordenador corriente basados en unos y ceros.
Para permitir que los estados cuánticos almacenen información, un ordenador cuántico no puede interactuar con su entorno. Sin embargo, al mismo tiempo, tiene que ser manipulado para permitir la realización de los cálculos necesarios. La fiabilidad es un factor serio para los ordenadores cuánticos. Es necesario encontrar formas de codificar la información de manera que los qubits no resulten afectados por el entorno. Se trata de un problema de tolerancia a fallos. Los ordenadores cuánticos ofrecen grandes promesas en el área de la criptografía. Así, podría aprovecharse la transmisión de datos encriptados a través de comunicaciones de fibra óptica utilizando fotones individuales (“paquetes” de luz) para enfrentarse a quienes intentasen desencriptar los códigos. Como los qubits no pueden ser copiados ni clonados, sería prácticamente imposible para un hacker descifrar codificación encriptada con un ordenador cuántico. Por otra parte, si un hacker poseyese un ordenador cuántico ... la seguridad estaría amenazada, ya que podría desencriptar los códigos de los ordenadores corrientes. Estudios del National Institute of Standards and Technology norteamericano y de la Universidad de California en Berkeley, afirman que unas líneas de comunicación absolutamente seguras requerirán un repetidor cuántico que permitiría que los fotones fueran transmitidos a través de fibra óptica sin sufrir perturbaciones. El repetidor permitiría que el fotón fuera transmitido otros 50 kilómetros. Para que esto funcionase, el fotón tendría que ser duplicado en su superposición (el par de números complejos que describen su posición).
En principio, un repetidor cuántico es posible, y los científicos están intentando hacerlo realidad. El reto más importante es que el repetidor debe ser un repetidor cuántico, es decir, algún tipo de conmutador cuántico, ya que cualquier medición del fotón sólo revelaría una cantidad muy pequeña de información sobre su estado cuántico.
Aunque los científicos necesitan tiempo para resolver los problemas de la informática cuántica, incluyendo el del desarrollo de un ordenador con capacidad de cincuenta qubits o más, los primeros pasos importantes hacia el objetivo ya están en marcha.
Sin embargo, el ordenador cuántico más grande producido hasta la fecha es un dispositivo de 5 bits creado por el Almaden Research Center de IBM, integrado en una única molécula.
El concepto de utilizar la física cuántica para realizar cómputos simultáneos con cantidades enormes de información se ha estado gestando ya desde los años 80. No obstante, hace sólo cinco años que la informática cuántica se ha convertido en un área de interés importante para quienes desarrollan teorías sobre el proceso de datos en todo el mundo.
A diferencia de un ordenador convencional, un ordenador cuántico podría procesar todo tipo de datos de entrada simultáneamente mediante una serie de “switches” o conmutadores cuánticos conectados en paralelo. En realidad, sería la forma más perfecta de proceso en paralelo imaginable, manejando la información en una forma que resulta imposible para los ordenadores convencionales, que siguen las reglas de la lógica binaria; es decir, distinguiendo entre dos estados diferentes.
En un sistema binario, cada bit de información está en on o en off, uno o cero, verdadero o falso. Un ordenador convencional forma una serie de combinaciones de unos y ceros para representar porciones de información, mientras que los ordenadores cuánticos están formados por partículas cuánticas tales como electrones y núcleos atómicos. Cada partícula representa un bit cuántico o “qubit”. Los qubits difieren de los bits convencionales en que un átomo o núcleo puede estar en un estado de “superposición”, actuando como un uno y un cero simultáneamente. Los ordenadores cuánticos aprovechan el comportamiento y las propiedades de los átomos de tal manera que potencialmente pueden ofrecer velocidades millones de veces mayores que las de los superordenadores actuales. Por ejemplo, si se tienen dos qubits, podrían existir simultáneamente como una combinación de todos los posibles números de dos bits: 00, 01, 10 y 11. Si se añade un tercer bit, se tendría una combinación de todos los posibles números de tres bits: 000, 001, 100, 110 y 111. Este sistema se expande en progresión geométrica: una cantidad n de qubits puede representar 2n números al mismo tiempo. Así, si se dispone de sólo 50 qubits, podrían representarse todos los números binarios desde cero a más de un billón simultáneamente.
Superando obstáculos
Un obstáculo importante al que se enfrentan los investigadores en el desarrollo de ordenadores cuánticos es conseguir que los qubits conserven su superposición, es decir, la capacidad de ser ambos -o uno y otro- un uno o un cero. La observación de un ordenador cuántico permite que una interferencia externa como la luz o el ruido pueden ejercer cierta influencia sobre los qubits y hacer que se colapsen, dejando sólo un ordenador corriente basados en unos y ceros.
Para permitir que los estados cuánticos almacenen información, un ordenador cuántico no puede interactuar con su entorno. Sin embargo, al mismo tiempo, tiene que ser manipulado para permitir la realización de los cálculos necesarios. La fiabilidad es un factor serio para los ordenadores cuánticos. Es necesario encontrar formas de codificar la información de manera que los qubits no resulten afectados por el entorno. Se trata de un problema de tolerancia a fallos. Los ordenadores cuánticos ofrecen grandes promesas en el área de la criptografía. Así, podría aprovecharse la transmisión de datos encriptados a través de comunicaciones de fibra óptica utilizando fotones individuales (“paquetes” de luz) para enfrentarse a quienes intentasen desencriptar los códigos. Como los qubits no pueden ser copiados ni clonados, sería prácticamente imposible para un hacker descifrar codificación encriptada con un ordenador cuántico. Por otra parte, si un hacker poseyese un ordenador cuántico ... la seguridad estaría amenazada, ya que podría desencriptar los códigos de los ordenadores corrientes. Estudios del National Institute of Standards and Technology norteamericano y de la Universidad de California en Berkeley, afirman que unas líneas de comunicación absolutamente seguras requerirán un repetidor cuántico que permitiría que los fotones fueran transmitidos a través de fibra óptica sin sufrir perturbaciones. El repetidor permitiría que el fotón fuera transmitido otros 50 kilómetros. Para que esto funcionase, el fotón tendría que ser duplicado en su superposición (el par de números complejos que describen su posición).
En principio, un repetidor cuántico es posible, y los científicos están intentando hacerlo realidad. El reto más importante es que el repetidor debe ser un repetidor cuántico, es decir, algún tipo de conmutador cuántico, ya que cualquier medición del fotón sólo revelaría una cantidad muy pequeña de información sobre su estado cuántico.
Aunque los científicos necesitan tiempo para resolver los problemas de la informática cuántica, incluyendo el del desarrollo de un ordenador con capacidad de cincuenta qubits o más, los primeros pasos importantes hacia el objetivo ya están en marcha.
