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Ordenadores Cuánticos, Realidades y Mitos

Ordenadores cuánticos

Para finales del año 2019, una noticia ocupó varios espacios y portadas dentro del ámbito tecnológico. Un grupo de investigadores de la empresa Google anunciaban al mundo haber alcanzado la supremacía cuántica. Es decir, había conseguido velocidades de cómputo superiores a cualquier ordenador a partir de un ordenador cuántico. Las operaciones realizadas con dicho ordenador tomaron algunos minutos.

Estas mismas operaciones hubieran demorado miles de años con un ordenador común, lo que es bastante impresionante. Esta noticia generó bastante dudas y mitos acerca de los ordenadores cuánticos. La verdad es que muchos artículos y reportajes dejaban muchas preguntas acerca de los ordenadores cuánticos. Inclusive, si analizamos algunos de estos en profundidad, los ordenadores cuánticos eran representados como dispositivos mágicos.

En el siguiente artículo pretendemos aclarar cuáles son las realidades de los ordenadores cuánticos, y qué es simple mitología. Te invito a que continúes leyendo, ya comenzamos.

Tabla de contenidos


Ordenadores mágicos

La cierto es que estos tipos de ordenadores son dispositivos tecnológicos realmente impresionantes, donde establecer límites entre la realidad y la ficción es bastante complicado. No obstante, muchos artículos simplemente los representan como artilugios mágicos capaces de resolver cualquier problema.

Muchas de las representaciones gráficas, como imágenes y videos no se corresponden con la realidad de estos ordenadores. El ejemplo más utilizado de este tipo, es en el que se representa un problema y el ordenador cuántico encuentra lo soluciona probando cada una de las posibles soluciones de manera simultánea.

Esta representación no aclara y simplifica demasiado el funcionamiento de este tipo de computadoras. Incluso algunos podrían estar tentados a pensar que encontrar la solución a un problema es tan sencillo como presionar un botón, y la computadora cuántica los hace por arte de magia.  

La representación anterior está basada en simplificar el paralelismo masivo, o capacidad de simultanear tareas, de los ordenadores cuánticos. Esta capacidad les permite realizar una exploración de todas las posibles soluciones de manera simultánea en busca de la correcta.

Ahora bien, esta es de las principales propiedades de los algoritmos cuánticos, basada en la superposición. Esto último no es más que una cierta tendencia de algunos sistemas físicos en los que es posible encontrarlos en diferentes estados de manera simultánea.

Superposición cuántica en ordenadores cuánticos.
Superposición cuántica.

Si alguna vez has oído hablar de la física cuántica, pues esta propiedad es su principal fundamento. Pero hablando de la computación cuántica, esto no es más que una pequeña parte de todo su entramado.

Los ordenadores cuánticos pueden resolver cualquier problema

La computación cuántica basa su funcionamiento en el estudio de las propiedades de las partículas subatómicas, con la finalidad de usarlas para realizar cálculos y operaciones lógicas. Entre las principales propiedades tenemos la ya mencionada superposición, agregando le interferencia y el entrelazamiento.

Estas tres propiedades se aplican de la siguiente forma:

  • Inicialmente, el algoritmo cuántico crea y superpone varias posibilidades o posibles soluciones para explorar cada una.
  • A continuación, entrelaza cada una de estas posibles soluciones y sus resultados.
Entrelazamiento de estados cuánticos.
Entrelazamiento de estados cuánticos.
  • Para finalizar, el algoritmo hace que las soluciones interfieran unas con otras, sobreviviendo solo las soluciones que realmente interesan.

Este último paso del algoritmo es el más complejo y difícil de todos. Podrían definirse como una compleja coreografía matemática, en la que le mas mínimo fallo pude deslucir y echar a perder el correcto funcionamiento del algoritmo.

Por otro lado, este último paso solo es posible aplicarlo correctamente, y a día de hoy solo se sabe aplicar a ciertos problemas específicos. De hecho, se ha comprobado que, en algunas circunstancias, la computación cuántica no se puede aprovechar para ganar velocidad en comparación a la computación tradicional. Siendo así, los ordenadores cuánticos no son ese dispositivo mágico capaces de resolver cualquier problema.

Los ordenadores cuánticos sólo aportan un incremento de velocidad de cómputo

Muchos artículos y trabajos sobre computación cuántica simplifica todas sus bondades a un simple incremento de la velocidad de cómputo. Los principales titulares que vemos acerca de los avances en este campo, siempre menciona datos sobre incrementos de velocidades con respecto a la computación tradicional.

Lo cierto es que esta característica puede ser lo más llamativo en la computación. A muchas personas solo les interesa que su ordenador sea más rápido. Y es una práctica acentuada por los mismos fabricantes de componentes de cómputo. Los anuncios siempre son del estilo “hemos desarrollado un CPU 10 veces más veloz que los anteriores.”

El funcionamiento de un ordenador cuántico no puede ser esquematizado en avances tecnológicos que mejorarán la velocidad de cómputo. De hecho, para algunas tareas, estos ordenadores no son superiores a los tradicionales en cuanto a velocidad. Por otro lado, en los problemas en los que si son superiores, es difícil cuantificar dicha diferencia con un numero único.

Estas diferencias se basan en los algoritmos ejecutados por los ordenadores cuánticos, los cuales son totalmente diferentes a los usados por la computación convencional. Esta característica contribuye a que la efectividad de la computación cuántica aumente a medida que aumenta la complejidad del problema a solucionar.

Diferencias de rendimiento entre un ordenador cuántico y uno tradicional.
Diferencias de rendimiento entre un ordenador cuántico y uno tradicional.

Este crecimiento de rendimiento es exponencial. Para que se entienda mejor, supongamos que debemos realizar búsquedas en una lista.  Para un tamaño de cien elementos, el ordenador cuántico es cinco veces más veloz que los ordenadores tradicionales. En el caso de 10 mil elementos en la lista el ordenador cuántico es cincuenta veces más rápido. Para un millón de elementos, tendremos una velocidad quinientas veces superior.

Aplicaciones de los ordenadores cuánticos

El aumento exponencial de la velocidad de cómputo con respecto al crecimiento de la complejidad del problema es el principal atractivo de los ordenadores cuánticos. Por ejemplo, uno de los campos donde tiene grandes aplicaciones es en el cifrado.

Una de las técnicas usadas en este campo es la descomposición factorial de enteros positivos. Cuando el número es extremadamente grande la operación de descomponerlo en factores es bastante pesada.

Aquí el ordenador cuántico puede representar una gran ventaja. Si aumentáramos las longitudes de las claves de cifrado en solo unos pocos bits, la seguridad sería millones de veces superior. Este aumento representa ejecutar algoritmos súper pesados que no están al alcance de la computación tradicional.

Simulaciones químicas y físicas

Otro de los campos donde los ordenadores cuánticos pueden ser usados eficientemente es en las simulaciones. Simular el comportamiento de nuevos materiales y compuestos químicos, que abarquen la mayor cantidad de posibilidades pueden ser tareas en las que un ordenador cuántico pueda destacar.

Estas tareas de simulación son sumamente difíciles de ejecutar con los ordenadores modernos. Esto se debe a que las propiedades de los sistemas físicos y químicos cambian en dependencia del número de partículas por las que están compuestos. Esto hace que a medida que crece el número de partículas los parámetros de la simulación se incrementan exponencialmente.

Por otro lado, la computación cuántica actúa de manera natural ante las propiedades cuánticas de estas sustancias y sistemas. De esta manera, durante los últimos años se han creado muchos algoritmos pensados para ejecutarse en ordenadores cuánticos enfocados en el estudio de las propiedades químicas de ciertas sustancias.

Inteligencia artificial

Uno de los campos donde más esfuerzos se aplican para vincular los ordenadores cuánticos es en el campo de la inteligencia artificial. Existen varios algoritmos cuánticos diseñados para acelerar el entrenamiento de modelos de aprendizaje de los sistemas inteligentes a partir de grandes volúmenes de datos.

El principal inconveniente de este procesamiento está en pasar la información de los sistemas de datos tradicionales al ordenador cuántico. Es decir, procesar la información no sería el problema, sino obtener la información. Una posible solución a esta problemática es la de capturar la información a partir de sensores cuánticos. De esta manera ya no es necesario obtenerlos desde algún medio físico.

Otro de los campos de estudio en este sentido es en el de obtener modelos de aprendizaje para inteligencia artificial netamente cuánticos. En este sentido tenemos las denominadas redes neuronales cuánticas.

No obstante, los avances en este campo son bastante recientes, lo que implica que aún se desconozcan todas sus potencialidades. Pero de lo que si estamos totalmente seguros, y las evidencias los respaldan, es que el rendimiento de los ordenadores cuánticos en este campo es bastante superior a los ordenadores tradicionales.

Conclusiones

Los ordenadores cuánticos realmente pueden ser el futuro de la computación moderna. Pero sí tenemos que tener en cuenta que no son los dispositivos mágicos que pueden solucionar cualquier problema.

Estos ordenadores son superiores y muestran su potencialidad en la medida en que crece la complejidad del problema. Pero el hecho de que no podamos usar un ordenador cuántico, o no sea el más indicado en ciertos problemas, no demerita para nada su uso y potencialidades.

Tampoco podemos simplificar un ordenador cuántico a un dispositivo más rápido que un ordenador tradicional. La realidad demuestra que estos van mucho más allá de solo enfocarlos en el parámetro velocidad.