En un mundo que nos desafía con problemas cada vez más complejos, la computación cuántica se consolida como el camino para encontrar las soluciones adecuadas.
Para adentrarse en el mundo cuántico es bueno explicar su lógica con “con peras y manzanas”. En esa línea esta sería la primera aproximación: sumar dos números de un dígito cada uno es un problema fácil. Lo es para la mente humana, para la calculadora y para un computador clásico. Sumar dos números de mil dígitos cada uno, es un problema mucho más complejo. Seguro imposible de resolver para la mayoría de las mentes humanas, imposible para la calculadora y si aumentamos aún más sus dígitos también es un desafío inalcanzable para un computador clásico. Al aumentar el número de dígitos necesitamos más recursos para resolver el problema.
“Uno puede medir qué tan difícil es un problema, dependiendo de qué tan largo son los números que se están ocupando y cuántos recursos necesitamos. Según eso, cuando el tamaño de los números es muy grande y requerimos muchos recursos, enfrentamos un problema difícil de resolver y el computador tradicional podría no ser capaz de resolverlo”, explica Aldo Delgado, director del Instituto Milenio de Investigación en Óptica (MIRO) y profesor titular de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Concepción.
Y como el hombre busca incansablemente dar respuesta a los desafíos, pues son esas soluciones las que inciden en sus capacidades económicas, ya en la década de los 80, Peter Shor, profesor de Matemáticas Aplicadas en el MIT, habló de la computación cuántica como el camino para llegar de forma fácil a resolver lo que es muy difícil.
Él elaboró el algoritmo de Shor, un algoritmo cuántico de factorización exponencialmente más rápido que el mejor algoritmo conocido actualmente que se ejecuta en un ordenador clásico, y que juega un rol central en la seguridad de las comunicaciones modernas.
Computador cuántico v/s computador tradicional
Ambas plataformas comparten la palabra “computador”, sin embargo, se trata de dos herramientas muy distintas. En ambas, el computador es la “hoja de cálculo”, donde se plasman las reglas de cálculo, pero la gran diferencia es el lugar en donde se guarda la información.
El computador clásico hace uso de bits, “que son sistemas físicos de transistores que almacenan un cero o un uno”, explica Delgado. Así, se forma una cadena binaria que a través de esos dos valores, puede resolver diversas problemáticas, ya sean letras del alfabeto, texto o cualquier número que se representan como un conjunto de ceros y unos. “Con este sistema se introduce la información en el computador, este aplica las reglas de cómo leer y calcular con ceros y unos y da el resultado al problema que se le está planteando con el algoritmo adecuado”, concluye Delgado.
En un computador cuántico, la información se almacena en los llamados quantum bits o qubits. “Estos son sistemas que ya no se rigen por las leyes de la física clásica, sino que se rigen por las leyes de la mecánica cuántica, y por lo tanto, no solo pueden estar en un cero o en un uno, sino que pueden estar en una superposición de ceros y unos, algo que no es ni ceros ni unos, sino que está a medio camino entre ambos y puede hacer muchas más cosas que los bits”.
Según continúa el experto “un quantum bit es más grande que un bit clásico y es procesado por compuertas que obedecen a las leyes cuánticas, lo que permite solucionar enunciados que en un computador clásico sería imposible de realizar o requerirían de muchísimo tiempo”. La pregunta que sigue es cómo estas nuevas leyes de la computación pasan hoy de la Física a aplicaciones reales y prácticas.
Problemas difíciles que la computación cuántica comienza a solucionar
Bajo la modalidad cuántica, el primer problema y más importante que se estudió fue el de factorizar un número entero en números primos. “Si yo pregunto cuáles son los números primos que componen un número, ese es un desafío difícil de resolver por el computador tradicional, pero que un computador cuántico lo hace fácil. Y ¿para qué se aplica este ejercicio? Es una operación que está en el corazón de la seguridad de los esquemas criptográficos actuales y por eso es de suma importancia”, explica Delgado.
En áreas aún más cotidianas, la computación cuántica también está resolviendo problemas de optimización. Así, por ejemplo, si se quiere simular un modelo complejo, el computador cuántico es quien dará soluciones óptimas para temas logísticos con las mejores rutas, manejo de tiempos de despacho o también para el mejor funcionamiento de una cadena de producción.
La computación cuántica está además en la optimización de portafolios. Según explica Delgado, “con ella, por ejemplo, se encuentra una respuesta fácil si se tiene una serie de inversiones y se quiere determinar cuál es la distribución óptima de manera tal de minimizar el riesgo o maximizar las ganancias, evaluando los alcances de todas las opciones”.
También entra en el área de la Química, resolviendo con prontitud el hallazgo de nuevas composiciones de sustancias que cumplen un fin específico. “Nuevamente se trata de un problema de difícil solución que en un computador cuántico se resuelve de manera simple”, concluye Delgado.
Status de la computación cuántica
Los primeros estudios de la computación cuántica surgieron en los años 80. Desde ahí hasta el año 2000, el proceso fue netamente teórico, “eran estudios en papel y nos maravillamos con las posibilidades que prometía esta plataforma. Pero al mismo tiempo veíamos los problemas que habría al construirla, pues es una tecnología compleja”, explica el académico.
Sin embargo, contra todos los problemas técnicos que habían surgido, a principios de los 2000, la publicación de una investigación japonesa en una prestigiosa revista científica dio cuenta del primer qubit cuántico realizado en un sistema en base a superconductividad, “era un qubit superconductor y demostraron que ese qubit podía ser manipulado con cierta fidelidad, esto es, con calidad y precisión en sus operaciones”, agrega el experto.
Desde ese momento se desató “una estampida” por avanzar en la computación cuántica y en varios laboratorios alrededor del mundo empezaron a notificarse, primero la aparición de 1 qubit, luego de 2, de 5… así se dieron las primeras demostraciones de algoritmos cuánticos y se vio que efectivamente era posible calcular en estos dispositivos.
Poco después surgió el interés de grandes compañías como IBM, Amazon y Google, quienes se han hecho parte de este incipiente mercado, comenzado a desarrollar sus propios computadores cuánticos y estrategias.
Entre ellos un buen exponente es IBM, “hoy ellos tienen decenas de lo que llamamos prototipos de procesadores cuánticos, a los que investigadores podemos acceder a través de la nube. Es decir, hoy son una realidad y cualquier usuario puede acceder a esta plataforma”, explica Delgado quien también aclara que “estos prototipos están lejos de ser perfectos, pero los avances han sido significativos, considerando que en el 2000 teníamos alrededor de 1 qubit y hoy año 2024 ya vamos en el orden de los 400”.
Esto significa que la capacidad de almacenar información o de procesar algoritmos cada vez más complejos aumenta de manera exponencial.
“De hecho, la hoja de ruta de IBM plantea a corto plazo llegar al orden de los 1000 qubits, mejorar la precisión de las compuertas cuánticas, perfeccionar la calidad de los qubits y facilitar la forma de programar este tipo de procesadores. Y en todos estos avances son varias las iniciativas que se van concretando”.
De esta manera, en marzo de 2024 nos encontramos con dos escenarios que hasta hace unos pocos años eran impensados: el primero es que el área cuántica ha logrado acaparar el interés comercial, “ya no son máquinas que se piensan solo desde el ámbito científico, sino que hay una industria desarrollándolas, lo que plantea la posibilidad de que en un plazo no tan lejano exista el mercado de la computación cuántica”.
Y en segundo lugar, la computación cuántica ya es operativa, es decir, ya se han resuelto problemas para usuarios particulares.
“Estas si bien aún no son soluciones de carácter masivo, pues no están al alcance en el computador del escritorio, sí son primeros pasos importantes”. No hay que olvidar que el computador que hoy todos tienen en sus casas, empezó también siendo una herramienta para unos pocos.
“Con la computación cuántica, probablemente pase lo mismo, vamos a tener grandes usuarios, grandes compañías que lo usarán con fines comerciales, pero con el tiempo también es posible que tengamos computación cuántica de bolsillo”, explica Delgado.
En cuanto a plazos la visión de Delgado es optimista y cree que seguramente para el año 2030, ya se estarán realizando las primeras demostraciones experimentales de problemas que tengan impacto económico.
“Estamos cerca y lo digo con confianza porque prácticamente todos los problemas que se han ido encontrando en la construcción de los computadores cuánticos, son problemas que se habían avizorado ya en la teoría que, por lo tanto, los conocíamos de antemano y que con los avances de la técnica comienzan a sortearse”.
Además, según agrega “la tecnología requerida para construir estos computadores cuánticos ha resultado ser una tecnología que podemos dominar y podemos ir mejorando paulatinamente. No hemos encontrado nada que nos haga sospechar que esto se vuelva en algún momento imposible”.
Y si de obstáculos se trata, los hay, pero nada que otras tecnologías no hayan podido superar en su proceso de desarrollo con éxito. El primero de ellos es que se trata de máquinas extremadamente caras de construir. Esto hace que solo las grandes compañías tengan los flujos de dinero necesarios para crearlas y desarrollarlas. “Hoy solo en países desarrollados estas investigaciones pueden mantenerse sostenidamente en el tiempo”.
Otro obstáculo es que mucho se habla que la computación cuántica es un arma de doble filo. Pues si bien por un lado, resuelve problemas difíciles con exactitud y prontitud, eso mismo hace que la seguridad de las redes se vean en peligro, pues en un principio la computación cuántica tendría todo el potencial para quebrar toda la seguridad de las redes. Todos los métodos de encriptación pública en redes podrían ser violados usando un computador cuántico.
“Afortunadamente en esto ha habido avances con la distribución cuántica de llaves. Es decir, existe la posibilidad de hacer uso de las propiedades cuánticas de los sistemas para lograr generar un sistema de comunicaciones que es absolutamente seguro y ya hay compañías abocadas a construirlos”.
Un computador cuántico físicamente es distinto al computador clásico. De partida es distinto en su primera impresión, pues estas plataformas están basadas en qubits superconductores que para que funcionen adecuadamente tienen que ser refrigeradas a temperaturas muy bajas. Entonces lo que la imagen muestra es en realidad una máquina que permite mantener el procesador cuántico a la temperatura adecuada que requiere.
“Los procesadores cuánticos en sí, son extremadamente pequeños. Pero como necesitan de esta refrigeración, pensar en su masificación aún resulta difícil y habrá que inventar algo distinto, lo que seguro ocurrirá así como se ha ido miniaturizando todo. Basta pensar que los primeros computadores estaban en habitaciones y consumían la energía eléctrica de una comuna como Hualpén, o sea, 50 mil habitantes sin luz porque había que usar el computador, eso era en la década de los 50. Hoy cuán distinta es la realidad”.
Aldo Delgado, director del Instituto Milenio de Investigación.
Aldo Delgado forma parte del pequeño grupo de investigadores chilenos que se dedican a la computación cuántica. Con él hay investigadores de la Universidad de Santiago y de la Universidad Católica. “Somos pocos los que trabajamos en esto y lo hacemos desde el punto de vista teórico. En el mejor de los casos, tenemos acceso a los computadores de IBM y hemos logrado hacer nuestras contribuciones en la forma de publicaciones, lo que igualmente vale la pena. Es importante tener un poco de visión y saber entrar en este mercado para no quedar marginados”.
La computación cuántica es un nuevo paradigma informático que permite procesar volúmenes de datos millones de veces más grandes que los actuales.