Que son y como funcionan los computadores cuánticos

Con los ordenadores clásicos tenemos bits, bytes, megas, programas, desarrolladores, algoritmos, procesadores, memoria, tarjetas gráficas, almacenamiento. Hablamos de ceros y unos como si realmente tuviéramos ceros y unos moviéndose grácilmente dentro de los chips de silicio que funcionan a varios gigahercios de "velocidad". Podemos escribir un programa de ordenador básicamente moviendo "cajas" y conectándolas en entornos de desarrollo visuales como Scratch. Hemos conseguido abstraer la parte física que subyace a todos estos conceptos de alto nivel. Porque un uno y un cero no son tales: son niveles de voltaje. Y las cajas de código que movemos y conectamos en Scratch, en un procesador se traducen en operaciones matemáticas que siguen la lógica de Boole.

En los primeros tiempos de la informática que conocemos, los ordenadores no se programaban con lenguajes de programación, los valores de los registros binarios se cargaban mediante tarjetas perforadas. Y los resultados de las operaciones no aparecían en una pantalla, sino que tenían que ser leídos directamente a partir de los registros binarios en el propio ordenador.

En la computación cuántica se está un poco como en esos primeros tiempos de la informática clásica. Pero aquí no tenemos valores de voltajes para los registros binarios, sino estados cuánticos que "suceden" en los qubits. Esos qubits no se caracterizan por su voltaje como en los ordenadores binarios, sino por su estado cuántico asociado a propiedades tales como el spin de un electrón.

Además, en un ordenador binario estamos limitados a trabajar con un número de bits que ha ido pasando de 8 a 16, de 16 a 32 y de 32 a 64 bits En un ordenador binario de "n" bits se opera con "n" bits a la vez, pero en un ordenador cuántico de "n" qubits tenemos 2 elevado a n estados con los que se pueden realizar operaciones "cuánticas" en el proceso de ejecución de un algoritmo en un ordenador cuántico.

Es decir, en un ordenador cuántico se trabaja con conceptos, algoritmos y tecnologías completamente diferentes a los que se usan en un ordenador binario. Propiedades de la mecánica cuántica como superposición, entrelazamiento e interferencia se usan en un ordenador cuántico para manejar los estados de los qubits y recrear las operaciones necesarias para procesar algoritmos. Actualmente, un aspecto especialmente relevante en el que se está trabajando en el laboratorio de Delft es en la corrección de errores. Sin un sistema que sea capaz de corregir errores derivados de la naturaleza de los estados cuánticos, poco se podrá avanzar en este campo.

En la computación binaria tradicional, los sistemas de corrección de errores están integrados en la arquitectura de los procesadores y los sistemas de comunicaciones, incluyendo las conexiones de Internet. Y sin ellos no serían posibles ni los ordenadores, ni Internet ni las comunicaciones móviles.

Temperaturas más bajas que en el espacio

De momento, los ordenadores cuánticos con los que se trabaja en los laboratorios de Delft manejan un máximo de 49 qubits. Es un número suficiente como para que, en teoría, pueda superar en capacidad de resolución de problemas a los superordenadores más potentes del momento. La complicación estriba en las condiciones que se necesitan para que los qubits funcionen de un modo suficientemente predecible. Así, la temperatura tiene que ser extremadamente baja para evitar que la energía térmica haga que los qubits cambien de estadio espontáneamente.

La forma de "controlar" a los qubits es a través de microondas. Con frecuencias específicas, se pueden "inyectar" los estados en los qubits de modo que a través de los algoritmos adecuados y usando las propiedades de superposición, entrelazamiento e interferencia, se puedan resolver problemas complejos en los que hay que hay que manejar magnitudes exponenciales.

En un procesador cuántico como los que usa Intel en los laboratorios de Delft, la parte visible son decenas de conectores coaxiales a través de los cuales se inyectan las microondas que hacen que los qubits se "programen" en un estado inicial. A diferencia de un ordenador binario, en un ordenador cuántico se opera con 2 elevado a n estados al mismo tiempo, De este modo, problemas como el de factorizar números, que en un ordenador binario pueden tardar en solucionarse millones de años, en un ordenador cuántico puede tardar segundos en resolverse.

En un momento del proceso de resolución de un problema, se necesita "leer" es estado de los qubits. Una operación delicada en la que intervienen cálculos de probabilidades y en la que hay que manejar un parámetro delicado: la decoherencia cuántica. Los estados cuánticos no se mantienen más que por un periodo de tiempo dado, y es el que se tiene para realizar operaciones con los qubits.

Cómo es un ordenador cuántico por dentro

En un ordenador cuántico no tenemos memoria, ni disco duro. Tan sólo tenemos un procesador al que se hacen llegar las señales de microondas necesarias para gestionar los estados de los qubits. El receptáculo donde se enfría al procesador es el componente más llamativo y está compuesto por diferentes niveles de enfriamiento hasta llegar a la zona donde trabaja el procesador. En la visita a la Universidad de Delft pudimos ver las "tripas" de un ordenador cuántico, y es completamente diferente a los ordenadores de ahora.

El cero absoluto está en los -273,15 grados centígrados que son 0 grados Kelvin. Este ordenador cuántico trabaja a 20 milikelvin (unos -273 grados centígrados). El sistema de control está en una sala en el piso de arriba justo encima del laboratorio donde están los sistemas de refrigeración y el ordenador cuántico propiamente dicho. La sala de control está compuesta, básicamente, de generadores de señales de microondas y sistemas para "leer" el estado de los qubits, así como equipos de computación convencional para llevar cuenta de los resultados.

¿PARA qué usaremos el ordenador cuántico?

Uno de los primeros usos en los que se pensó fue en seguridad informática. Tanto como defensa, para construir mejores sistemas, como en ataque, y usar la "fuerza bruta" de los ordenadores cuánticos para romper claves. La potencia exponencial de los ordenadores cuánticos nos abre ambas puertas: sistemas más seguros y palancas virtuales de mayor longitud.

Otro sector que puede aprovechar los recursos del entrelazamiento cuántico son las simulaciones de ordenador. Los videojuegos o las aplicaciones de realidad aumentada son un tipo de simulación. Gracias a la superposición de estados, podemos calcular más resultados con los mismos recursos energéticos.

Otro campo de investigación que tiene lugar en Delft, es el del Internet Cuántico. Se trata de aprovechar una de las propiedades de la mecánica cuántica que dice que si dos partículas están "enlazadas" cuánticamente, al modificar el estado de una, el estado de la otra cambiará también, independientemente de la distancia a la que se encuentren.

Es una propiedad que es real y tangible y que trasciende el razonamiento lógico, pero que puede usarse para definir canales de comunicaciones sin más que entrelazar partículas alejadas de modo que se puedan cambiar los estados para transmitir información. La ventaja es que estos canales de comunicación no se pueden piratear ni interceptar. De todos modos, de igual modo que sucede con los ordenadores cuánticos, aún queda mucho para que veamos usos prácticos y comerciales.

Entrevista:

James Clarke (Director of Quantum Hardware at Intel Corporation) y Lieven Vandersypen (professor e investigador de QuTech en la Universidad de Delft)

Pregunta: ¿Por qué es tan importante la computación cuántica? James Clarke: Para algunas aplicaciones, quantum computing es exponencialmente mejor que la computación clásica. Por ejemplo, para algunas aplicaciones, como criptografía, un ordenador clásico puede tardar 1.000 millones de años en romper una clave criptográfica RSA. Un ordenador cuántico podría hacerlo en minutos.

No es tanto velocidad de procesador, como trabajar en paralelo con cantidades masivas de datos aprovechando las propiedades de la mecánica cuántica. Se pueden resolver problemas enormes en tiempos muy cortos.

Hay problemas que no se pueden resolver con la computación cuántica. Or ejemplo, en campos como la química cuántica, o el diseño de materiales.

P: ¿Ya se han resuelto problemas usando algoritmos cuánticos? J.C. Te daré un par de ejemplos. DE momento, los algoritmos que se manejan en ordenadores cuánticos son algoritmos de prueba. Hay pocos algoritmos probados que se sabe que pueden funcionar sobre un chip cuántico. De momento, los trabajos que se están haciendo son más de prueba que reales.

Como paso intermedio, usamos simuladores. El super ordenador más grande del mundo es solo capaz de simular un procesador cuántico de 50 qubits.

P: ¿Cómo se programa un ordenador cuántico? J.C. Aquí tenemos un procesador cuántico. Pero en un ordenador tenemos más que el procesador: el control, la arquitectura, los algoritmos, el compilador. Intel está trabajando en todos estos elementos. La cuestión es esa: cómo se programa un ordenador. De momento no se sabe. Y es uno de los retos a la hora de construir un ordenador es esta visión holística.

P: ¿Qué retos hay que superar? J.C: Hay una parte teórica que hay que poner en práctica, pero hay otras que hay que resolver en la vida real. Por ejemplo, la corrección de errores. La parte del frío es clave. El entorno de trabajo de un ordenador cuántico es 250 veces más frío que el espacio exterior. Los qubits son frágiles. La parte del frío es una. La segunda es la corrección de errores. Ya tenemos procesadores suficientemente grandes como para probar técnicas reales de corrección de errores.

: ¿Cómo funciona el procesador?

J.C: Hay dos posibles formas de fabricar los qubits de un procesador cuántico. Usando superconductores o usando Silicio. Un chip superconductor es básicamente un circuito RF de alta calidad. Particularmente, un oscilador LC no lineal. Usamos microondas de 5 GHz con una elevada precisión en la manipulación de estas señales de microondas.

La otra forma de construir qubits es a través de Silicio. La tecnología es similar a un transistor: podríamos llamarla "transistor de un único electrón en un campo magnético". Al ser tan similares a transistores, esperamos ser capaces de usar nuestra experiencia fabricando chips de Silicio para liderar la fabricación de chips cuánticos.

Las ventajas de los chips cuánticos de Silicio, es, por ejemplo, la facilidad de fabricación. Y la posibilidad de integrar más qubits en un espacio pequeño. El tamaño es un millón de veces menor que la variante de superconductores. Además, se puede trabajar con temperaturas ligeramente mayores.

L.V:: Además, el tiempo de coherencia es unos tres órdenes de magnitud más prolongado que en caso de los qubits superconductores. De este modo, la ventana de tiempo para operar es mayor que con qubits superconductores.

P: ¿Cuándo podremos tener ordenadores cuánticos funcionando de un modo "normal"?

J.C: Hablamos de 10 a 15 años. En el caso del transistor los primeros transistores datan de finales de los años cuarenta, el primer circuito integrado data de finales de los cincuenta, el primer microprocesador data de los años setenta. Los avances de la última década, tales como los transistores FinFET datan de años atrás.

En el caso de la computación cuántica, necesitamos paciencia. Por aventurar una fecha, podremos ver sistemas interesantes en cinco años, y diez años más para tener ordenadores cuánticos que impacten en nuestras vidas. Hay retos que no sabemos resolver todavía, pero somos optimistas.

Fuentes:

https://newsroom.intel.com/press-kits/quantum-computing/

https://qutech.nl/

https://www.xataka.com/ordenadores/asi-ordenador-cuantico-49-qubits-intel-dentro

https://www.nobbot.com/futuro/funciona-ordenador-cuantico-aplicaciones/

https://es.gizmodo.com/como-funciona-la-computacion-cuantica-explicado-de-man-1796976460