Computación cuántica: el futuro ya está aquí?

El mundo avanza de forma vertiginosa de la mano de la tecnología. Es innegable ver como generación tras generación, el aprendizaje continuo es cada vez más necesario para poder seguir el tren de la actualidad, para no quedar relegados del entorno. Y esto justamente por el hecho de que la velocidad del cambio, hace que aquello que conocemos y utilizamos hoy, ya sea obsoleto en el mañana. Por lo cual nos vemos obligados a aprender una y otra vez, y cada vez con más frecuencia para no volvernos obsoletos nosotros mismos.

Pero dentro de esta alocada carrera, hay algunas pistas donde la competencia se desarrolla aún con mucha más vehemencia, siendo una de las principales la de las computadoras. Cada vez, necesitamos mayor potencia de cálculo, diríamos, que traducido a fines prácticos, sería como decir resolver problemas en tiempos cada vez más cortos.

La tecnología digital de hoy nos maravilla: movemos información analógica tradicional de aquí para allá, pudiendo modificarla y manejarla como nos plazca a partir de la digitalización. Así es como disfrutamos del manejo de archivos, películas, música, videos, y otras muchas aplicaciones de nuestra vida cotidiana sin siquiera imaginarnos como esto es posible. No obstante este mundo maravilloso que hoy disfrutamos, ya se sabe a ciencia cierta que su posibilidad de seguir creciendo de esta forma…tiene un límite. Y esto se debe simplemente, a las limitaciones propias de la tecnología actual disponible: a medida que aumenta la escala de integración, es decir, se incrementa la cantidad de transistores o de microchips, lo cual permite que en un mismo espacio, cada vez se disponga de mayor velocidad de proceso. Ahora bien, esto encuentra un límite cierto, que indica que no es posible seguir haciendo chips cada vez más pequeños, digamos infinitamente pequeños. Y este límite ya se conoce con certeza, y es de la escala del nanómetro. Cuando se llega a escalas de chips del orden de los nanómetros, los mismos ya no funcionan correctamente, sino que producen errores. Y mal que nos pese, hoy estamos llegando a fabricar chips del orden de decenas de nanómetros, por lo cual, podríamos decir que el fin no estaría muy lejano!

Hoy, los principios de las computadoras, se basan en las puertas lógicas, en la matemática binaria que sólo permite dos estados posibles, 0 y 1, y en el desarrollo de algoritmos secuenciales para resolver problemas de determinada complejidad.

Pero, a que se debe que en esta escala no funcionan correctamente? Pues bien, allí debemos recurrir a la física necesariamente, que nos da la respuesta. Lo que sucede en realidad, es que el encargado de llevar las señales eléctricas de un lado al otro de nuestro chip, es una partícula llamada electrón. Y su comportamiento, está regido por una rama de la física conocida como “mecánica cuántica”. Esta rama de la física, nos demuestra entre otras cosas, que la realidad como la conocemos a través de nuestros sentidos, no siempre es así. Por el contrario, la naturaleza, es muchísimo más compleja de lo que nos podemos imaginar y percibir, y la mecánica cuántica nos explica estos fenómenos, que no resultan para nada evidente para nuestros sentidos, pero que nos demuestran, mal que nos pese, que la realidad es muy distinta a lo que podríamos imaginar. Y donde se pone de manifiesto claramente las leyes de la mecánica cuántica, es de hecho, en las partículas elementales, es decir en los átomos que componen la materia. Como el electrón es parte importante de la misma, y en el caso que nos compete, como el responsable de llevar información a modo de carga eléctrica de un lado para el otro, es que no tenemos más remedio que apelar a ella para explicar porque fallan nuestros diminutos chips. Y lo que nos dice y comprueba la mecánica cuántica, es que los electrones, son partículas y ondas a la vez. Son dos formas de manifestarse que posee esta partícula “cuántica”. De esta forma, cuando las “pistas” del microchip se hacen cada vez más pequeñas, nuestra partícula que posee esta maravillosa dualidad, onda-partícula, es capaz de escapar de su propia pista, e invadir otra, en virtud de su comportamiento como onda. Esto se traduce en un mal funcionamiento del chip. 

Entonces…como sigue la historia?

Hasta aquí, parecería que no podemos esperar más innovación posible, dada la limitación ya explicada acerca de la imposibilidad de reducir y aumentar capacidad de cálculo con la tecnología actual. No obstante, el ingenio humano es capaz de encontrar nuevos caminos a cada obstáculo que aparece y que aparenta ser imposible de superar. Y el caso que nos compete, no será la excepción. De esta forma, hoy los esfuerzos para dar el próximo paso a una nueva era de desarrollo del cálculo y resolución de algoritmos, se concentran en las ya mencionadas “propiedades cuánticas” de la materia. Y por qué? Para simplificar las cosas al lector no avezado en disciplinas como la física y las matemáticas, diríamos que en virtud de esta teoría, existen ciertas propiedades de la materia que a simple vista no podemos percibir, pero que si son comprobables a escala muy pequeña, diríamos a escala de un átomo de materia y de sus componentes. El motivo por el cual no podemos experimentar estos fenómenos cuánticos en nuestra vida ordinaria, se debe a un fenómeno llamado “decoherencia”, es decir, la interacción de partículas elementales con el medio y con otras similares, que a nivel macro “impide”el poder verificar estas propiedades.

Pero de que estamos hablando?…como primera medida de un principio denominado “superposición de estados”. Es decir, en nuestro mundo ordinario, el principio matemático del cálculo computacional se basa en la numeración binaria: las señales son “1” o bien son “0”. Según el estado en que se encuentre, dará lugar a una acción posterior. Pero a diferencia de este modelo actual, la mecánica cuántica nos dice que una partícula, puede NO SOLO estar en cualquiera de estos dos estados, sino que también puede encontrarse en ambos estados simultáneamente...qué difícil de entender…pero esto es realmente así, y es justamente este principio de superposición de estados, el que nos permite aumentar EXPONENCIALMENTE la velocidad de cálculo. Por ello, en vez de hablar de “bytes”, ahora vamos a hablar de “qubits” En un sistema binario, en un registro de 3 bits, tenemos ocho valores posibles, y solamente podemos tomar un valor posible, pero en un “vector” de 3 qubits, se pueden tomar los ocho valores distintos a la vez. Un computador cuántico de 30 qubits, equivaldría por tanto a un computador convencional de 10 tetraflops (millones de millones de operaciones en coma flotante por segundo), cuando actualmente las computadoras trabajan en el orden de gigaflops (miles de millones de operaciones).  

Mientras que para un computadora actual, resolver una jugada de ajedrez, implica analizar secuencialmente todas las jugadas posibles, antes de tomar la decisión correcta, una computadora cuántica sería capaz de analizar simultáneamente todas las jugadas posibles de una sola vez, en un instante, justamente, por el principio de superposición de estados.

A lo anterior, podríamos agregar otras propiedades muy importantes que hacen posible esta forma de cálculo, entre ellas el llamado “entrelazamiento cuántico”, que también permite vincular propiedades de una partícula en un dado estado a otras sin que exista un vínculo directo entre ellas…podríamos decir algo así como un vínculo “telepático” entre las mismas.

…y cuál es la importancia de todo esto?

A esta altura, podríamos intentar ahora explicar de forma sencilla el porqué puede ser importante pensar en las bondades de una computadora cuántica en comparación con la tecnología actual. Para ello, veamos un ejemplo sencillo: el cálculo factorial de un número. Como recordará el lector, hallar el factorial de un número, es encontrar el producto de sus factores primos. Por ejemplo, el factorial de 15 = 3 x 5. Dado, que 3 y 5 son números primos, menores que 15. Parece simple…pero donde está la importancia de esto? 

Es que lo que parece tan elemental, no lo es, y es de suma importancia para nuestro mundo actual. Si bien para una computadora convencional factorizar el número 15 es sencillo en apariencia, la factorización de un número de muchos dígitos no lo es (por ejemplo, el número 300). El número de pasos de cálculo, aumenta exponencialmente con el número de dígitos.     

La factorización de un número de 232 dígitos, recién se logró en el año 2010, y demandó dos años de cálculo en cientos de máquinas convencionales. Se hubiera tardado algo así como mil años en una sola PC actual. Para un número de 300 dígitos, el tiempo hubiera sido de un millón de años en una PC actual.

Pero, para qué este problema de tiempos de cálculo puede ser importante más allá de los matemáticos y físicos?, pues porque la factorización, es la base fundamental actual de la criptografía. Y la criptografía, es el principio en nuestros días para cifrar códigos de seguridad. Los sistemas financieros, bancos, tarjetas de crédito, seguridad por internet, servicios de inteligencia, etc, requieren altos y complejos sistemas de seguridad, y basan sus principios en la criptografía. Pero como vimos, para poder calcular el factorial de un número “más o menos” sencillo, se requieren hoy tiempos tan prolongados, que hacen inviable a fines prácticos el descifrar y calcular los mismos. Simplemente, porque no hay potencia de cálculo suficiente para realizarlo en un tiempo razonable. Y este principio, es la base de la seguridad en este modelo. De ser posible realizar estos cálculos de forma rápida, haría temblar el sistema financiero y posiblemente la seguridad militar en el mundo.

En al año 1994, Peter Shore, un matemático de la Bell, ya había predicho, que de ser posible construir una computadora cuántica, el problema de la factorización, pasaría de su estado “hard” a “factible”, reduciendo los tiempos cálculo de millones de años a cuestión de minutos.  

…y que podemos esperar a futuro?

Por un lado, la posibilidad de aumentar exponencialmente la potencia de cálculo como nunca antes podríamos haber imaginado, abriría un campo de oportunidades impensado para la ciencia: en el campo de la biología, sería posible simular interacciones entre átomos y partículas que hoy es imposible por la cantidad de datos a procesar, que permitirían encontrar comportamientos y posibles curas a enfermedades. Dentro del campo de la resistencia de materiales, el poder realizar simulaciones entre partículas elementales de distintos materiales, podría dar como resultado el descubrimiento de nuevos materiales con propiedades muy particulares, que podrían servir para aplicaciones en distintas industrias.

Aun a la fecha, existen todavía muchos problemas técnicos relacionados con la posibilidad de poder desarrollar computadoras de este tipo de forma masiva, aunque ya existen prototipos en funcionamiento (IBM, Google). La dificultad principal, radica en que para que el comportamiento “cuántico” exista, y se pueda utilizar, es necesario confinar partículas elementales en un entorno libre de toda interacción con el resto del medio, puesto que de lo contrario, se pone de manifiesto el fenómeno de la decoherencia y otras cuestiones técnicas, que desvirtúa el comportamiento mencionado. Esto requiere mantener el sistema a ciertas condiciones (por ejemplo, temperatura constante y sin variaciones, y otras cuestiones técnicas), hoy en fase de estudio.    

Estos serian tan solo algunos ejemplos prácticos. Hoy, todavía se argumenta que es muy posible que la computación cuántica, quede restringida a resolver cierto tipo de problemas “hard”, mientras que para el resto de los mortales, en su vida ordinaria seguirían haciendo uso de las PC actuales. Solo el tiempo dirá el futuro que se avecina, pero en innegable que el mundo que nos aguarda a la vuelta de la esquina implica que deberemos esforzarnos para comprender cada vez más aquello que es abstracto, y no tan fácil de comprender solo a través de nuestros sentidos y experiencias directas.