En los últimos años se está hablando cada vez más de la computación cuántica. Y no solo en círculos especializados, donde ya lleva décadas siendo objeto de estudio, sino también en la calle. Ha entrado a a formar parte de los temas de conversación más frikis antes, pero más habituales ahora gracias a canales de divulgación como los de Eduardo Sáenz de Cabezón, con su canal de YouTube 'Derivando', o el de Rocío Vidal, más conocida como 'La Gata de Schrödinger'.
Aquí los vemos por primera vez llevando a la práctica una analogía del conocido experimento, hasta ahora teórico, planteado por el físico austríaco Erwin Schrödinger en 1935.
Un ejemplo cuántico real: 'El Gato de Schrödinger'
Básicamente, el ejemplo que utilizó Schrödinger consiste en meter un gato en una caja cerrada y opaca que además contiene un recipiente cerrado con gas venenoso. Este recipiente está controlado por un dispositivo que hace que se libere el gas si una partícula radioactiva se desintegra en un período de tiempo determinado.
Cuando pasa ese período, la probabilidad de que el gato esté muerto es del 50% y la de que esté vivo también del 50%. Si no abrimos la caja, según la mecánica cuántica, el gato estará en un estado de superposición de los estados básicos “vivo” y “muerto”. Si la abrimos para “medir” su estado, el gato estará vivo o muerto, pero no en un estado superpuesto. Antes de abrir la caja, solo podemos manejar probabilidades acerca de si el gato estará vivo o muerto.
Ahora imagina dos gatos, cada uno en su caja, pero conectados a un recipiente con gas venenoso. La probabilidad de que uno de los dos gatos muera si se libera el gas es exactamente del 50%. Separamos las cajas miles de kilómetros. Cuando se abre una de las cajas, los estados superpuestos de ambas se resuelven instantáneamente. Si en una caja vemos un gato muerto, en la otra el gato estará vivo y viceversa. Es decir, tenemos que ambos estados están "entrelazados" aunque las cajas estén a miles de kilómetros.
Explicación de la paradoja de 'El Gato de Schrödinger'.
Computación cuántica, distinta a la binaria
Como veis, hablamos de computación cuántica, diferente de la computación clásica basada en procesadores que funcionan con transistores (miles de millones de ellos en una CPU moderna) de tamaños que se miden en nanómetros. Dichos transistores se organizan electrónicamente dentro del procesador en forma de registros, cachés, unidades de ejecución aritméticológicas... siguiendo las directrices de una determinada arquitectura. En el caso de los ordenadores PC, esta arquitectura es la x86-64 y en el caso de los móviles, ARM.
Estos componentes permiten manejar bits agrupados de 64 bits en 64 bits (o más en ciertas operaciones especiales), de forma que se puedan realizar operaciones basadas en lógica binaria o booleana sobre ellos. Para este fin, se usan las llamadas “puertas lógicas” (AND, NOT, OR, XOR) al ritmo que marca un reloj medido en gigahercios (GHz). Y, en última instancia, todo se reduce a operaciones booleanas binarias.
Puertas lógicas booleanas.
Los límites de la computación tradicional
Si bien los ordenadores clásicos permiten resolver infinidad de problemas de un modo muy eficiente, existen otros para los que la computación tradicional no es apta. No se resuelven bien con ordenadores clásicos problemas como los de análisis molecular, simulaciones o cálculos, en general, donde se parte de un número limitado de datos, pero con infinitas combinaciones posibles.
Por ejemplo, la factorización de números es una operación presente en la encriptación. En las claves públicas, si se encuentran los factores que intervienen en su cálculo, es posible romper el cifrado. Actualmente, para claves de centenares de bits como las usadas en los protocolos seguros, este cálculo puede llevar meses recurriendo a ordenadores clásicos. Las simulaciones son también complicadas de realizar con ordenadores tradicionales, como las necesarias para identificar propiedades e interacciones moleculares, utilizadas, por ejemplo, en desarrollos de nuevos fármacos.
La unidad básica de información: del bit al qubit
Este tipo de problemas son ejemplos de cálculos que un ordenador cuántico puede realizar en una fracción del tiempo que un ordenador clásico necesita. La clave para entender por qué reside precisamente en su naturaleza cuántica, muy diferente a la naturaleza electrónica de un ordenador clásico.
Tal y como explica Eduardo en el vídeo, si la unidad básica de información de un ordenador clásico es el bit, que puede ser 1 o 0, la unidad básica de información de un ordenador cuántico es el qubit (de quantum bit, aunque también se denomina qbit o cúbit). Este puede estar en dos estados básicos que también podemos llamar 0 y 1.
Pero, además, un qubit puede estar en un estado de superposición de los dos estados básicos, que es lo que nos ha querido demostrar Eduardo con el experimento ejecutado desde un ordenador cuántico de la nube de IBM.
Ordenador cuántico de IBM en el laboratorio de IBM Research Zúrich.
La representación matemática de un qubit no es 1 o 0, como sucede en la lógica binaria. Un qubit se representa por la suma de sus dos estados básicos multiplicados por un coeficiente. Se emplea para describirlos matemáticamente la nomenclatura Bra-Ket, tal que así:
Qubit q = a x |0> + b x |1>
Siendo el |0> y el |1> la representación de los dos estados básicos 0 y 1. Los coeficientes a y b son tales que la suma de sus cuadrados suma 1.
a^2 + b^2 = 1
El hecho de que estos coeficientes sumen 1 tiene que ver con que en computación cuántica trabajamos con probabilidades. No en vano las propiedades cuánticas como la de superposición, que es la responsable de que podamos manejar tanto los estados básicos |0> y |1> como los superpuestos, están estrechamente realacionadas con el cálculo de probabilidades.
Sin embargo, al medir el estado de un qubit , obtenemos siempre uno de sus estados básicos |1> o |0>, pero no los superpuestos. Es decir, la gata Rocío saldrá o no escaldada, pero no podremos medir la superposición de ambos estados.
La clave está en que la probabilidad de que ese estado básico medido sea |0> o |1> será el valor del coeficiente correspondiente al cuadrado, a^2 o b^2. En la actualidad, hay varios métodos para implementar físicamente los qubits. IBM opta por la tecnología de superconductores para mantener a los qubits en un estado estable a una temperatura cercana al cero absoluto, de manera que los estados del qubit no se vean afectados por el entorno.
Un ordenador cuántico de IBM mostrando la parte donde se implementan físicamente los qubits.
Otras propiedades que juegan un papel importante en computación cuántica son la decoherencia y el entrelazamiento. A pesar de que los qubits están en un entorno controlado, sus estados pueden verse afectados por elementos energéticos o electromagnéticos, lo cual introduce errores en las operaciones. Es lo que se llama “decoherencia” y es una de las limitaciones de la computación cuántica a día de hoy, junto con la corrección de errores, habitual en sistemas binarios, pero complicada en los cuánticos.
El entrelazamiento, por su parte, es una interesante propiedad que habla de que los estados cuánticos de dos o más objetos entrelazados se describen mediante un estado único que involucra a todos los objetos, incluso si los objetos están en galaxias distintas.
De las puertas lógicas a las cuánticas
En computación cuántica, igual que sucede en la clásica, es necesario disponer de métodos para modificar los estados de los qubits y realizar operaciones con ellos. En este caso, no son operaciones lógicas, sino cuánticas, con puertas y operadores cuánticos. Como ejemplo de puertas lógicas poníamos NOT, XOR, OR o AND. En el caso de las puertas cuánticas, tenemos las de Hadamard, las puertas controladas como la CNOT o las puertas Pauli X, Y y Z, entre otras. Precisamente, la puerta de Hadamard se emplea en este vídeo para escenificar la superposición de estados mediante la paradoja de 'El Gato de Schrödinger', la gata, mejor dicho.
Un circuito cuántico que suma dos bits utilizando puertas lógicas cuánticas.
A su vez, en computación cuántica se usan algoritmos para resolver problemas computacionales. Existen aún pocos algoritmos cuánticos y son complicados de desarrollar, pero los que hay demuestran la potencia de la computación cuántica para resolver problemas que con la computación tradicional precisan de enormes cantidades de iteraciones, lo cual se traduce en tiempos exponencialmente mayores en los casos más complejos.
Los ordenadores cuánticos existen y se pueden usar
La buena noticia es que ya es posible usar computadores cuánticos. Sí, nosotros también gracias a IBM y su plataforma de experiencia cuántica. En ella, podemos acceder a un completo entorno donde aprender sobre computación cuántica y experimentar con los qubits y puertas cuánticas para poner en acción algoritmos y operaciones basadas en computación cuántica.
La forma de acceder a esos recursos es creando una cuenta IBMid gratuita, con lo que entraremos en un portal donde contamos con documentación y acceso a Qiskit, un entorno de programación cuántica completo. Podemos usar ordenadores cuánticos reales, así como simuladores, tanto mediante un diseñador gráfico de circuitos cuánticos, como a través de los “notebooks”, para programarlos usando el lenguaje Python.
En el vídeo de Eduardo, sin ir más lejos, se usa este entorno para recrear el experimento de 'El Gato de Schrödinger' de una forma desenfadada. Puedes seguir los pasos para acceder al diseñador de circuitos y reproducirlo tú mismo. La clave, que no está del todo clara para obtener 1 o 0, es seleccionar 1 en el campo del número de ejecuciones (number of shots). De otro modo, obtendremos aproximadamente un 50% por ciento de probabilidades para el 1 y un 50% para el 0, como corresponde al uso de una puerta de Hadamard empleada para crear un estado de superposición básico.
En el momento de ejecutar el circuito con la puerta de Hadamard, selecciona 1 como número de "shots" para que el resultado sea 1 o 0.
La computación cuántica es real e incipiente
Los fundamentos teóricos están claros. La implementación real de los computadores cuánticos se halla en una fase inicial en la que hay que resolver dificultades. Pero la realidad es que ya es posible usar los que hay en tiempo casi real y a través de entornos de programación visuales y gráficos.
En el portal de IBM dedicado a experimentar con la computación cuántica hay todo tipo de recursos para adentrarse en este mundo desde prácticamente cero. Ahora te toca a ti.
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