Desde los años sesenta, la tecnología computacional ha mantenido un crecimiento exponencial que ha llevado a las máquinas a ser cada vez más pequeñas y poderosas. Hoy, científicos del mundo, y de la BUAP, incursionan en la Computación Cuántica para ir más allá de la miniaturización de los equipos y ampliación de su capacidad de procesamiento.
La tecnología computacional actual, en gran medida, se rige por las leyes de la Física clásica, que está siendo superada porque las partes de las computadoras se aproximan al tamaño de los átomos, por lo que su funcionamiento dependerá de la Mecánica Cuántica. Entender y manipular esta área de la Física dará lugar a la siguiente revolución tecnológica.
Juan Mauricio Torres González, científico del Instituto de Física “Ing. Luis Rivera Terraza” de la BUAP, afirma que el desarrollo tecnológico se enfrenta a una barrera física real que para superarla necesita de las inusuales propiedades cuánticas, hoy al alcance.
La computación cuántica permitirá, según el experto, aplicaciones tan importantes como la búsqueda en grandes bases de datos, la mejora de sistemas de seguridad y la simulación (como otros sistemas cuánticos de difícil realización experimental). En otras palabras, resolver problemas computacionalmente complejos a partir de las leyes de la Mecánica Cuántica.
Hoy los científicos no han consensuado si las computadoras cuánticas serán simplemente una herramienta especializada, o si, como sugiere Torres González, doctor en Ciencias por el Instituto de Ciencias Físicas de la UNAM, implicarán una gran revolución para la humanidad.
Por ahora, las computadoras cuánticas sufren por su entorno, debido a que agentes externos perturban los aparatos cuánticos y cambian lo que se prevé sea un estado bien definido. Si se esperaba como resultado una cadena de unos y ceros, el entorno es capaz de destruirlo en un tiempo muy corto, por lo que es necesario aislar el material y en este camino están varios científicos.
De la Mecánica Clásica a las probabilidades de la Mecánica Cuántica
Los chips de una computadora poseen módulos, los cuales contienen transistores que se usan para construir compuertas lógicas: la forma más simple de un procesador de datos. Los transistores son como interruptores que pueden bloquear o abrir el flujo de información, la cual se compone de bits. La combinación de numerosos bits representa información más compleja.
En otras palabras, un transistor es un switch eléctrico y la corriente eléctrica se compone de electrones en movimiento, que van de un lugar a otro. Por tanto, es posible decir que un transistor es un paso que puede bloquear los electrones en camino: la información.
Actualmente los transistores tienen un tamaño aproximado de 14 nanómetros; son ocho veces más pequeños que el diámetro del virus de VIH (120 nanómetros) y 500 veces que un glóbulo rojo (siete micrómetros). Transistores más pequeños se traducen en mayor número de compuertas por chip, lo cual implica mayor poder de cómputo.
Los componentes de una computadora, al pretenderse que sean más pequeños, tendrán un funcionamiento que se comprenderá desde la Mecánica Cuántica, donde la Física funciona de modo diferente:
El mundo cuántico es contraintuitivo, por lo que se diferencia de las leyes deterministas de la Mecánica Clásica. En otras palabras, en la escala cuántica, las computadoras tradicionales dejan de tener sentido.
¿Computadoras cuánticas en casa?
Aunque las computadoras cuánticas nunca reemplazarán a las tradicionales (o clásicas), en ciertas áreas son mucho más superiores, como en la factorización de números extremadamente grandes (con muchos dígitos) en términos de números primos. Torres González precisó que los protocolos criptográficos explotan esta imposibilidad.
“Si la pregunta para acceder a cierta información es factorizar determinado número, solo el que conoce la respuesta podrá dar los números correctos, de lo contrario tendría que calcularlo y, si el número es extremadamente grande, con una computadora de casa llevaría la edad del Universo”, comentó Torres, quien ha realizado estancias de investigación sobre el área en instituciones alemanas como Technische Universität Darmstadt y Universität des Saarlandes.
Este uso –el más famoso de las computadoras cuánticas- está cambiando la seguridad informática actual, que se basa en sistemas de encriptación en los que se proporciona a todos una clave pública para codificar mensajes que solo el usuario puede descifrar, como el ejemplo anterior. El problema es que esta clave pública se puede usar para calcular la clave privada secreta.
Afortunadamente, dada la complejidad del acertijo, hacer las matemáticas necesarias en cualquier computadora tomaría años de prueba y error. En cambio, una computadora cuántica podría hacerlo en un abrir y cerrar de ojos y no a escalas milenarias. Quien logre hacer esto rompería cualquier mecanismo de seguridad actual, que tendrían que hacerse más sofisticados.
El mundo cuántico es de otra naturaleza
El mundo cuántico se rige por otras reglas. A estas escalas es imposible medir simultáneamente, y con precisión absoluta, la posición y la velocidad de una partícula. Esta ley –conocida como principio de incertidumbre o indeterminación de Heisenberg- obliga a los científicos asignar probabilidades a ambos parámetros.
“Entrar al mundo cuántico es entrar al de la probabilidad”, puntualizó Torres, pues además de esta regla, ocurre un fenómeno llamado superposición: en las computadoras clásicas, un bit es la unidad básica de información. Su valor puede ser 1 (encendido), 0 (apagado), estados que pueden representar cada uno un valor diferente, como verdadero o falso, abierto o cerrado.
Mientras que en cuántica son los qubits, que no tienen que ser solo uno de esos, puede ser cualquier proporción de ambos estados a la vez. Así que el qubit es una superposición de probabilidades para 0 ó 1. Puede estar simultáneamente en los dos estados, lo cual es clave para el desarrollo de nuevos algoritmos de procesamiento de la información.
Cuatro bits clásicos pueden tener 16 combinaciones posibles. Sin embargo, para los qubits en superposición, puede estar en todas las 16 combinaciones a la vez. El número de posibilidades crece exponencialmente con cada qubit extra. Veinte de ellos pueden almacenar un millón de valores en paralelo. En conclusión, en mecánica cuántica todo se reduce al cálculo de estas probabilidades.
Además de esta propiedad, los qubits establecen una conexión conocida como entrelazamiento cuántico, que permite con tan solo medir un qubit enredado, deducir directamente las propiedades de sus socios sin tener que mirar. Pues un cambio en uno afecta instantáneamente al otro, sin importar lo separado que estén. Con estas ideas Shor pudo crear su algoritmo para factorizar mucho más rápido.
La manipulación de un qubit también implica una nueva forma de pensar. Una puerta lógica clásica obtiene un conjunto simple de entradas (inputs) y produce una salida definida (output). En cambio, una puerta cuántica manipula una entrada de superposiciones, rota probabilidades y produce otras superposiciones como salida.
Dicho de otro modo, una computadora cuántica establece algunos qubits, aplica compuertas cuánticas para enredarlos y manipular la probabilidad, luego finalmente mide el resultado, colapsando las superposiciones a una secuencia real de 0 y 1.
Esta ventaja es utilizada para encontrar algo en una base de datos, pues una computadora tradicional tiene que probar cada una de sus entradas, mientras que los algoritmos de una computadora cuántica, como el de Grover, solo necesitan la raíz cuadrada de ese tiempo, que para grandes bases de datos es una gran diferencia.
Más allá de la nueva era computacional
Torres González sostuvo que pese a los problemas que todavía persisten, se continúa en la búsqueda de más aplicaciones para la Mecánica Cuántica: “Hay operaciones que vistas (o calculadas) en papel parecen sencillas, pero que su implementación en sistemas físicos son más complicadas, como las mediciones estados entrelazados”.
El problema de estos sistemas es que son muy sensibles a cualquier agente del entorno. Hacer este tipo de operaciones con buena fidelidad, muy similares a las predicciones teóricas es aún un problema abierto en el que Torres González trabaja.
El dominio de las leyes de la Mecánica Cuántica y de las perturbaciones del entorno a los frágiles sistemas cuánticos hace que la fabricación de computadoras sea difícil y costosa. Por esa razón aún hace falta mucho para que las computadoras cuánticas sean funcionales.
No obstante, un grupo de científicos ha propuesto una del tamaño de un estadio de fútbol, según reporta un artículo publicado en el portal de Nature. El Foro Económico Mundial ha descrito esta tecnología como una de las emergentes más importantes, por lo que seguirá siendo tema de interés para investigadores, futuros científicos y posibles usuarios.