Mecánica cuántica
La física clásica, con sus leyes bien establecidas, ha sido fundamental para comprender el mundo que nos rodea a escalas macroscópicas; sin embargo, las herramientas de la misma se revelan insuficientes para explicar los fenómenos observados a nivel atómico y subatómico. Para poder dar explicación a estos fenómenos debemos recurrir al dominio de la mecánica cuántica, la cual emerge como la teoría fundamental que describe el comportamiento de la materia y la energía.
A diferencia de la física clásica, que considera que las propiedades físicas como la energía pueden variar de forma continua, la mecánica cuántica revela que, a estas escalas, la energía y otras cantidades físicas existen en cantidades discretas denominadas “cuantos”. Esta naturaleza discreta es inherente al mundo atómico y marca una diferencia fundamental con nuestra experiencia cotidiana.
Una de las propiedades esenciales del mundo cuántico está dada por el hecho de que los resultados obtenidos en los experimentos no pueden ser conocidos a priori. Estos resultados vienen definidos por probabilidades; son estas probabilidades las que arrojan como resultado un estado en particular y pueden obtenerse, con mayor o menor probabilidad, en cada experimento, cualquiera de los valores posibles. Esta característica probabilística es una desviación significativa del determinismo de la física clásica, donde, en principio, conociendo las condiciones iniciales de un sistema, se puede predecir su futuro con exactitud.
Una de las características más sorprendentes de las entidades cuánticas radica en su capacidad de exhibir tanto propiedades de partículas como de ondas. Esta dualidad onda-partícula significa que objetos cuánticos, como electrones y fotones, pueden manifestar comportamientos que son característicos de partículas (tener masa, carga y energía) y de ondas (tener longitud de onda y frecuencia).
Pongamos el ejemplo de la luz: esta era considerada clásicamente como una onda electromagnética, pero también puede comportarse como una corriente de partículas discretas llamadas fotones, como se evidencia en el efecto fotoeléctrico explicado por Albert Einstein en el año 1905 en su artículo titulado “On a Heuristic Point of View about the Creation and Conversion of Light” y por el cual recibió el premio Nobel de Física en el año 1921. Por otro lado, los electrones, que inicialmente se consideraban partículas, han demostrado exhibir propiedades ondulatorias, como la difracción y la interferencia, tal como se observa en el experimento de la doble rendija realizado por el físico Thomas Young. Esta dualidad no implica que los objetos cuánticos sean a veces partículas y a veces ondas; más bien, son una nueva clase de entidad que posee aspectos de ambas naturalezas.
Otra propiedad fundamental de las partículas cuánticas es la superposición; esta propiedad hace posible que, por ejemplo, un electrón pueda encontrarse simultáneamente en varios estados al mismo tiempo. Cabe destacar que el estado de superposición es frágil, ya que se destruye al realizar una medición, y este es uno de los retos tecnológicos con los que se enfrentan los desarrolladores de computadores cuánticos: el de mantener el estado de superposición, o dicho de otra manera, mantener la coherencia del sistema.
El entrelazamiento cuántico es otra propiedad peculiar que puede ocurrir cuando dos o más partículas cuánticas se correlacionan de tal manera que sus estados cuánticos están intrínsecamente vinculados, independientemente de la distancia que las separe. Si dos partículas están entrelazadas, la medición del estado de una partícula afecta instantáneamente el estado de la otra, sin importar cuán lejos estén. Se ha demostrado experimentalmente con varios tipos de partículas, incluidos fotones y electrones. El entrelazamiento tiene aplicaciones potenciales en la comunicación cuántica, como la distribución de claves cuánticas, y en la computación cuántica, donde puede utilizarse para crear estados cuánticos complejos necesarios para ciertos algoritmos.
Computación cuántica
La computación cuántica es un paradigma computacional emergente que aprovecha los principios de la mecánica cuántica, como la superposición y el entrelazamiento, para realizar ciertas tareas computacionales de manera más eficiente que las computadoras clásicas. La unidad fundamental de información en una computadora cuántica es el qubit. A diferencia de los bits clásicos, que solo pueden estar en un estado de 0 o 1, un qubit puede existir en una superposición de ambos estados simultáneamente. Esta capacidad permite que las computadoras cuánticas realicen múltiples cálculos en paralelo.
Existen varias implementaciones físicas de qubits, cada una con sus propias ventajas y desafíos. Algunas de las tecnologías de qubits más prometedoras incluyen los qubits superconductores, que utilizan circuitos macroscópicos que exhiben comportamiento cuántico a temperaturas extremadamente bajas; los iones atrapados, donde los iones individuales se confinan y se manipulan con láseres; los qubits fotónicos, que utilizan partículas de luz; los qubits basados en átomos neutros; los qubits de espín en silicio; y los qubits topológicos incluidos en el chip Majorana presentado por Microsoft recientemente, que prometen ser intrínsecamente resistentes a ciertos tipos de errores.
Se han logrado avances significativos en el aumento del número de qubits en los procesadores cuánticos. Empresas como IBM y Google han desarrollado procesadores con cientos e incluso más de mil qubits. Sin embargo, construir computadoras cuánticas a gran escala con qubits de alta calidad y estables sigue siendo un desafío importante. Uno de los mayores obstáculos es la decoherencia cuántica, la pérdida de las delicadas propiedades cuánticas de los qubits debido a la interacción con el entorno. Mantener la coherencia durante el tiempo suficiente para realizar cálculos complejos es crucial. Además, los sistemas cuánticos son muy sensibles a las perturbaciones externas, lo que puede provocar errores en los cálculos y fallos en el hardware.
Para mitigar los efectos del ruido y la decoherencia, son esenciales las técnicas de corrección de errores cuánticos. Estas técnicas implican codificar la información cuántica de forma redundante utilizando múltiples qubits físicos para formar un qubit lógico más robusto. Por eso es importante, cuando se nos hace referencia a la cantidad de qubits que implementa alguno de los sistemas, saber si estamos refiriéndonos a qubits físicos o lógicos.
Recientemente, Google demostró una reducción exponencial de errores al aumentar el número de qubits en su chip Willow, lo que representa un avance significativo en la corrección de errores cuánticos; sin embargo, la implementación de métodos de corrección de errores cuánticos requiere de qubits adicionales y esquemas de codificación complejos que aumentan la complejidad y el costo computacional.
El acceso a las computadoras cuánticas se está volviendo cada vez más común a través de plataformas de computación basadas en la nube. Empresas como IBM (IBM Quantum), Microsoft (Azure Quantum), Amazon (Amazon Braket) y Google (Google Quantum AI), así como empresas especializadas como BlueQubit e IQM, ofrecen acceso a hardware cuántico y simuladores a través de la nube. Estas plataformas permiten a investigadores, desarrolladores y empresas experimentar con la computación cuántica sin la necesidad de realizar grandes inversiones iniciales en hardware.
Simulación cuántica
Los simuladores de computación cuántica son herramientas esenciales diseñadas para emular el comportamiento de los sistemas cuánticos en computadoras clásicas. Existen varios tipos de simuladores cuánticos. Los más accesibles en este momento son aquellos que permiten ejecutar una simulación digital utilizando puertas y algoritmos cuánticos en computadores clásicos.
Existen distintas herramientas de simulación de las cuales se destacan Qiskit de IBM, Cirq de Google, PennyLane de Xanadu, ProjectQ e Intel Quantum Simulator. También tenemos la posibilidad de hacer uso de las plataformas en la nube que proporcionan simuladores integrados junto con el acceso al hardware cuántico.
Dentro del Quantum Lab, amplio tiro central. V01
Algoritmos cuánticos
Los algoritmos cuánticos son algoritmos diseñados para ejecutarse en computadoras cuánticas y resolver ciertos problemas de manera más rápida o eficiente que los algoritmos clásicos para tareas específicas. Cabe destacar que los algoritmos cuánticos ya existentes no han sido ejecutados aún en computadores cuánticos, ya que no contamos con un sistema totalmente robusto que resuelva de manera definitiva los problemas asociados a errores y decoherencia.
Uno de los algoritmos que más resonancia tiene en el mundo de la tecnología, por el impacto que tendría su futura implementación en la criptografía clásica, es el algoritmo de Shor. Este algoritmo permite factorizar grandes números y de forma exponencialmente más rápida que los mejores algoritmos clásicos conocidos. Cuando pueda ejecutarse el algoritmo en un computador cuántico, se verían afectados muchos de los mecanismos de seguridad criptográfica actuales.
Cabe resaltar que desde hace años ya empiezan a proponerse alternativas criptográficas conocidas como esquemas post-cuánticos. Estos garantizarían la resistencia de posibles ataques cuánticos. Es el caso de la propuesta presentada en el BIP 360 de Bitcoin, conocido como P2QRH (Pay to Quantum Resistant Hash), y que está diseñada para abordar la potencial amenaza que la computación cuántica podría representar para la seguridad de Bitcoin. La propuesta sugiere la transición a una estructura resistente a la computación cuántica reemplazando los métodos de firma vulnerables. BIP 360 es uno de tantos desarrollos preventivos que se están llevando a cabo en las distintas cadenas del ecosistema de criptomonedas, para garantizar la seguridad de las transacciones en un futuro en donde la computación cuántica sea una realidad.
Aplicaciones
La computación cuántica tiene el potencial de revolucionar numerosos campos. En el descubrimiento de fármacos y la ciencia de los materiales, las computadoras cuánticas podrían simular moléculas y materiales a nivel cuántico para diseñar nuevos fármacos y materiales avanzados. En la optimización, podrían resolver problemas complejos en logística, gestión de la cadena de suministro y finanzas. En inteligencia artificial, podrían acelerar el entrenamiento de modelos de aprendizaje automático y habilitar nuevas capacidades de IA. En criptografía, aunque representan una amenaza para los métodos de cifrado actuales, también permiten el desarrollo de una nueva criptografía resistente a los cuánticos. En finanzas, podrían mejorar el modelado de riesgos, el comercio algorítmico y la detección de fraudes.
El Futuro Cuántico: Más Cerca de lo que Imaginamos
El mundo de las partículas cuánticas es realmente extraño y diferente a todo lo que vemos en nuestro día a día. Estas partículas tienen propiedades alucinantes como la dualidad onda-partícula (pueden ser onda y partícula a la vez), la superposición (estar en varios estados al mismo tiempo) y el entrelazamiento (estar misteriosamente conectadas). Estas rarezas son la base de la mecánica cuántica, que a su vez es el fundamento de la computación cuántica, una tecnología que promete revolucionar la informática.
Aunque se ha avanzado mucho en la creación de hardware cuántico, como aumentar el número de qubits, todavía hay retos importantes. Uno de los mayores es lograr que los qubits sean estables y corregir los errores que se producen. Para explorar las posibilidades de la computación cuántica antes de que tengamos computadoras cuánticas gigantes y perfectas, los científicos usan simuladores cuánticos. Estos simuladores son herramientas clave para investigar y desarrollar algoritmos que puedan ser eventualmente ejecutados sobre computadores cuánticos.
Los algoritmos cuánticos tienen el potencial de acelerar enormemente la resolución de ciertos problemas, lo que abre un mundo de aplicaciones en muchas áreas. Se espera que en las próximas décadas veamos aparecer computadoras cuánticas prácticas que cambiarán por completo la forma en que entendemos y usamos la computación.
