COMPUTACIÓN CUÁNTICA Y ORDENADORES CUÁNTICOS

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Giancarlo Elia Valori*

¿Qué es la computación cuántica? ¿Por qué necesitamos la computación cuántica? De acuerdo con la ley de Moore (“La complejidad de un microcircuito, medida por ejemplo por el número de transistores por chip, se duplica cada 18 meses y, por lo tanto, se cuadruplica cada 3 años”), la densidad de transistores por unidad de área en un chip de computación se duplica cada año y medio, lo que plantea dos problemas principales para las computadoras tradicionales. En primer lugar, en cuanto a la computación, los transistores de alta densidad se enfrentarán al problema del consumo de energía y los efectos térmicos. En segundo lugar, la reducción de tamaño provocará el fracaso de la teoría clásica de los transistores y su rendimiento se desviará del diseño original.

Ambos problemas limitarán la mayor contracción de los transistores, poniendo así fin a la ley de Moore. Sin embargo, aunque la computadora tradicional se desarrolla hasta el final de la ley de Moore, todavía es incapaz de hacer frente a muchos problemas que deben resolverse. Digamos que calculamos la energía de estado fundamental de N sistemas acoplados de dos niveles, ya que el número de incógnitas será proporcional a 2^N. El tiempo de simulación actual requerido para la supercomputadora de IBM es de 2,5 días para un cálculo específico en la computadora cuántica de 53 qubits de Google, que tarda unos 200 segundos. Qubit es la contracción del bit cuántico, el término acuñado por Benjamin Schumacher para denotar el bit cuántico, es decir, la unidad básica de la información cuántica.

A medida que el número de qubits continúa aumentando, las computadoras convencionales pronto alcanzarán un cuello de botella. Sin embargo, casi todos los cálculos convencionales que involucran mecánica cuántica enfrentan los mismos problemas. Por lo tanto, muchos investigadores comenzaron a pensar en cómo usar las propiedades cuánticas como recursos computacionales ya en 1970, que luego fue resumido por Richard Feynman en 1982.

Por lo tanto, ¿qué ventajas tienen los qubits sobre la computación tradicional? Lo más sorprendente no es otro que las propiedades de la superposición cuántica y el entrelazamiento cuántico. La superposición cuántica es un estado no clásico que contrasta con la intuición empírica y la metáfora es el Gato de Schrödinger que está vivo y muerto.

El estado de superposición, sin embargo, es un estado real para qubits en escalas microscópicas o mesoscópicas (escalas espaciales, puntos de vista y similares que son intermedios entre escalas macroscópicas y microscópicas). Los qubits se pueden encontrar en la superposición de dos estados cuánticos característicos, y este estado de superposición es un estado no clásico en el que el ser y el no ser coexisten en el mundo cuántico. En este estado, el qubit no es ni 0 ni 1, pero no está en un estado en el que ambos lados (0 y 1) sean inciertos, sino con la misma probabilidad, como una moneda antes de que aterrice en la palma de la mano.

Mientras que en la naturaleza visible es posible observar un fenómeno sin influir perceptiblemente en él solo mediante la observación (es decir, solo mirando dicho fenómeno), en la física atómica y la mecánica cuántica, una perturbación finita y hasta cierto punto invisible está conectada a cada observación. El principio de incertidumbre es el reconocimiento del azar absoluto y la arbitrariedad en los fenómenos naturales. Por otro lado, como quedará claro más adelante, la mecánica cuántica no predice un resultado único y bien definido para la observación o para cualquier observador.

El hecho de que los qubits puedan experimentar una evolución cuántica en un conjunto de estados de superposición, que no es ni 0 ni 1, implica un paralelismo cuántico en el cálculo relevante. La evolución de cada qubit, sin embargo, no es suficiente para construir todas las evoluciones posibles de un sistema multi-qubit. Por lo tanto, también debemos interactuar con diferentes qubits para que puedan entrelazarse con el fin de construir un algoritmo satisfactorio para tal cálculo. Esta superposición especial se llama precisamente estado cuántico entrelazado.

Tomemos dos qubits como ejemplo, que es un estado entrelazado típico. Entre ellos, el estado que representa el primer qubit está conectado al estado del segundo qubit. Las dos conexiones están en superposición cuántica y, por lo tanto, no podemos hablar del estado en el que se encuentran los dos qubits en ese momento, por lo que hablamos de entrelazamiento.

Existe una visión más práctica del entrelazamiento en la computación cuántica, es decir, los estados entrelazados generalmente surgen del control de un qubit (qubit de control) sobre otro (qubit objetivo). La relación entre el qubit de control y el qubit objetivo es similar a la mencionada Cat de Schrödinger. Según este punto de vista, si la parte controladora está en un estado de superposición, la parte controlada estará en una superposición de diferentes situaciones controladas.

Este proceso de entrelazamiento es un elemento importante en la computación cuántica. Podemos decir que la superposición y el entrelazamiento tejen sinérgicamente la variada evolución paralela de la computación cuántica. Cada medición solo puede calcular uno de los estados posibles, y el estado de superposición ya no existe después de la primera medición. Por eso, con el fin de obtener la información estadística que necesitamos en el estado de superposición, tenemos que calcular y medir los resultados nuevamente.

Por lo tanto, en muchos algoritmos cuánticos (como el algoritmo de Shor para factorización [que resuelve el problema de la descomposición factorial de números enteros en números primos] y la simulación cuántica digital), necesitamos usar algunos mecanismos de interferencia después del cálculo, de modo que la información de esa fase que contiene la respuesta en el estado de superposición se convierta en conservación (con la idea implícita de evitar un derrame o pérdida final) debido a la interferencia constructiva (es decir, inmediatamente después de la variación de otros datos producidos), mientras que otros datos se eliminan por interferencia destructiva. De esta manera, la respuesta se puede obtener con menos mediciones. La mayoría de los algoritmos cuánticos dependen en gran medida del fenómeno de fluctuación e interferencia, por lo tanto, la fase relativa es muy importante para la computación cuántica, que se llama coherencia cuántica. En el diseño de hardware de las computadoras cuánticas, muchas consideraciones están relacionadas con cómo proteger el estado cuántico para prolongar la coherencia de por vida.

Las computadoras cuánticas tienen una variedad de implementaciones de hardware, pero las consideraciones de diseño son similares. Hay tres consideraciones comunes: operatividad de qubits, mensurabilidad y protección de estados cuánticos. En respuesta a estas consideraciones, se ha desarrollado un sistema de electrodinámica cuántica de cavidad (cQED). Un sistema cuántico superconductor puede tomarse como ejemplo para introducir la implementación de computadoras cuánticas. La diferencia de frecuencia entre la cavidad resonante y el qubit significa que el acoplamiento entre la cavidad resonante y el qubit tiende no a intercambiar cuantos de energía, sino solo a generar entrelazamiento, lo que significa que la frecuencia de la cavidad resonante cambiará con el estado del qubit. Por lo tanto, el estado del qubit se puede deducir midiendo la penetración de microondas o el espectro de reflexión cerca de la frecuencia resonante con la línea de lectura de bits.

La vida útil coherente de los qubits está influenciada por dos factores, uno intrínseco y otro extrínseco. La influencia extrínseca proviene principalmente del acoplamiento entre el qubit y el circuito de lectura de estado cuántico. La presencia de un mecanismo de protección similar a un filtro en la cavidad de microondas entre el bit y la línea de lectura puede proporcionar un mecanismo de protección similar a un qubit porque la cavidad y el qubit tienen una diferencia de frecuencia de aproximadamente 718 MHz. La influencia intrínseca proviene principalmente de la pérdida del qubit en sí y la sensibilidad de su frecuencia a varios tipos de ruido, que generalmente pueden ser suprimidos por materiales mejorados.

La computación cuántica tiene una amplia gama de aplicaciones, actualmente involucradas en los campos del descifrado y la criptografía, la química cuántica, la física cuántica, los problemas de optimización y la inteligencia artificial. Esto cubre casi todos los aspectos de la sociedad humana y tendrá un impacto significativo en la vida humana después de la práctica. Sin embargo, las mejores computadoras cuánticas aún no son capaces de expresar las ventajas de la computación cuántica. Aunque el número de qubits en una computadora cuántica ha superado los 50, la profundidad del circuito requerida para ejecutar el algoritmo está lejos de ser suficiente. La razón principal es que la tasa de error de qubits en el proceso de cálculo sigue siendo muy alta, a pesar de que podemos usar la corrección cuántica de qubits y la computación cuántica tolerante a fallas. En el caso de la computación cuántica, la precisión que mejora gradualmente los datos aumentará en gran medida la dificultad de producir el hardware y la complejidad del algoritmo. En la actualidad, la implementación de algunos algoritmos bien conocidos solo ha alcanzado el nivel de demostración conceptual, que es suficiente para demostrar la viabilidad de la computación cuántica, pero la aplicación práctica aún tiene un largo camino por recorrer.

Pero debemos seguir siendo optimistas porque, aunque la computación cuántica general todavía necesita ser mejorada por el hardware de la computadora cuántica, todavía podemos encontrar nuevos algoritmos y aplicaciones. Además, el desarrollo de hardware también puede hacer grandes avances, al igual que el desarrollo de las computadoras tradicionales en el principio. En línea con este objetivo, muchas industrias tecnológicas existentes podrían actualizarse en un futuro próximo. La investigación se está ejecutando rápidamente gracias también a una importante inversión pública y privada, y las primeras aplicaciones comerciales se verán a corto plazo.

Teniendo en cuenta las cuestiones de defensa e inteligencia, muchos gobiernos están financiando la investigación en esta área. La República Popular China y los Estados Unidos de América han puesto en marcha planes plurianuales por valor de miles de millones de yuanes y dólares. La Unión Europea también ha establecido el Programa Quantum Flagship para una inversión de mil millones de euros.

^*Copresidente del Consejo Asesor Honoris Causa. El Profesor Giancarlo Elia Valori es un eminente economista y empresario italiano. Posee prestigiosas distinciones académicas y órdenes nacionales. Ha dado conferencias sobre asuntos internacionales y economía en las principales universidades del mundo, como la Universidad de Pekín, la Universidad Hebrea de Jerusalén y la Universidad Yeshiva de Nueva York. Actualmente preside el «International World Group», es también presidente honorario de Huawei Italia, asesor económico del gigante chino HNA Group y miembro de la Junta de Ayan-Holding. En 1992 fue nombrado Oficial de la Legión de Honor de la República Francesa, con esta motivación: “Un hombre que puede ver a través de las fronteras para entender el mundo” y en 2002 recibió el título de “Honorable” de la Academia de Ciencias del Instituto de Francia.

Traducido al español por el Equipo de la SAEEG con expresa autorización del autor. Prohibida su reproducción.