De qué manera la mecánica cuántica cambiará la informática

Vista del interior de un ordenador cuántico. 
Vista del interior de un ordenador cuántico. IBM Research

A principios de junio, Google anunció que iba a ampliar los servicios informáticos en la nube al alcance del mercado para incluir la computación cuántica, y desde mayo tenemos a disposición una oferta similar de IBM. Todavía no son servicios que la mayoría de la gente corriente tenga motivos para utilizar, pero hacer más accesibles los ordenadores cuánticos ayudará a los grupos de investigación gubernamentales, académicos y empresariales de todo el mundo a seguir con su estudio de las capacidades de la computación cuántica.

Para entender cómo funcionan estos sistemas hay que explorar otro campo de las ciencias que la mayoría de la gente ya conoce. A partir de nuestra experiencia cotidiana, estamos familiarizados con lo que los físicos denominan "mecánica clásica", que gobierna la mayor parte del mundo que podemos ver con nuestros propios ojos, como lo que pasa cuando un coche choca contra un edificio, qué trayectoria sigue una pelota al lanzarla, y por qué cuesta tanto arrastrar una neverita por una playa de arena.

La mecánica cuántica, en cambio, describe el universo subatómico, es decir, el comportamiento de los protones, los electrones y los fotones. Las leyes de la mecánica cuántica son muy diferentes de las de la mecánica clásica y pueden tener resultados inesperados y contrarios a la intuición, como la idea de que un objeto pueda tener masa negativa.

En los grupos de investigación gubernamentales, académicos y empresariales de todo el mundo hay físicos que siguen indagando las aplicaciones al mundo real de las tecnologías basadas en la mecánica cuántica. Por nuestra parte, los que nos dedicamos a las ciencias informáticas tratamos de entender cómo se pueden aplicar esas tecnologías al avance de la informática y la criptografía.

Breve introducción a la física cuántica

En nuestra vida corriente, estamos acostumbrados a que las cosas existan en un estado definido. Por ejemplo, una bombilla está encendida o apagada. Pero en el universo cuántico, los objetos pueden existir en lo que se denomina una superposición de estados. A nivel atómico, una hipotética bombilla podría estar apagada y encendida al mismo tiempo. Esta extraña característica tiene importantes repercusiones para la informática.

En la mecánica clásica ‒y por lo tanto, en los ordenadores clásicos‒, la unidad mínima de información es el bit, que puede tener dos valores: 1 o 0, pero nunca ambos a un tiempo. En consecuencia, cada bit solamente puede contener un dato. Estos bits, que se pueden representar como impulsos eléctricos, cambios en los campos magnéticos, o incluso como un interruptor físico, constituyen la base del cómputo, el almacenamiento y la comunicación de los ordenadores y las redes informáticas de nuestros días.

Los qubits ‒bits cuánticos‒ son el equivalente cuántico de los bits clásicos. Una diferencia fundamental es que, debido a la superposición, los qubits pueden tener al mismo tiempo valor 0 y valor 1. Por naturaleza, la implementación física de estas unidades de información tiene que tener lugar a escala atómica; por ejemplo, en la rotación de un electrón o en la polarización de un fotón.

La computación con qubits

Otra diferencia es que en los bits clásicos es posible intervenir en uno con independencia de los demás. La manipulación de un bit en determinada ubicación no tiene ningún efecto sobre los bits que se encuentran en otra ubicación diferente. En cambio, los qubits se pueden enlazar empleando una propiedad de la mecánica cuántica denominada entrelazamiento, de manera que sean interdependientes inluso aunque estén muy lejos uno de otro. Esto significa que las operaciones que un ordenador cuántico lleve a cabo en un qubit pueden afectar a muchos otros qubits al mismo tiempo. Esta característica ‒parecida, pero no igual, al procesamiento en paralelo‒ puede hacer que la computación cuántica sea mucho más rápida que los sistemas clásicos.

Construirlos es difícil porque requiere que las operaciones y las mediciones se hagan a escala atómica

Todavía no existen grandes ordenadores cuánticos ‒es decir, con cientos de qubits‒, y construirlos es difícil porque requiere que las operaciones y las mediciones se hagan a escala atómica. Por ejemplo, actualmente el ordenador cuántico de IBM tiene 16 qubits, y Google ha prometido una computadora cuántica de 49 qubits ‒lo cual sería un avance asombroso‒ para finales de año. (En comparación, hoy en día los ordenadores portátiles tienen varios gigabytes de memoria RAM. Un gigabyte equivale a ocho millones de bits clásicos).

Una poderosa herramienta

A pesar de las dificultades para construir ordenadores cuánticos que funcionen, los teóricos siguen explorando su potencial. En 1994, Peter Shor demostró que los ordenadores cuánticos podían resolver rápidamente los complejos problemas matemáticos que subyacen a todos los sistemas criptográficos de clave pública, como los que facilitan una conexión segura a los navegadores web. Un ordenador cuántico a gran escala pondría en peligro toda la seguridad en Internet tal como la conocemos. Los criptógrafos están empeñados en encontrar nuevos sistemas de clave pública resistentes a los ataques cuánticos, al menos por lo que ellos saben.

Una cuestión interesante es que las leyes de la mecánica cuántica también se pueden emplear para diseñar sistemas más seguros que sus equivalentes clásicos en muchos sentidos. Por ejemplo, la distribución cuántica de claves permite que dos partes compartan un secreto con el que no podrá hacerse ningún entrometido tanto si utiliza un ordenador clásico como uno cuántico. Es posible que en el futuro estos sistemas ‒al igual que otros basados en los ordenadores cuánticos‒ lleguen a ser útiles, bien de manera general o en aplicaciones más especializadas. En todo caso, un reto decisivo es conseguir que funcionen en el mundo real y a grandes distancias.

Jonathan Katz es director del Centro de Ciberseguridad de Maryland y catedrático de Ciencias Informáticas de la Universidad de Maryland.

Claúsula de divulgación:

Jonathan Katz recibe financiación de diversos organismos gubernamentales, entre ellos la Fundación Nacional para la Ciencia.

Este artículo fue publicado originalmente en inglés en la web The Conversation.

Traducción de News Clips.

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