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Qué es y en qué consiste la computación cuántica

La computación cuántica que conocemos y que utilizamos en la actualidad se basa en el paradigma clásico de computación: los elementos de un ordenador clásico están escritos en código binario, cuya unidad mínima de información es el bit. Los bits se pueden encontrar en estado 0 o 1.

Para poder transformar el estado de un ordenador clásico, es decir, pasar de un código binario concreto a otro distinto se utilizan puertas lógicas. Para que nos entendamos, esto es lo mismo que aplicar operadores lógicos a los bits, teniendo en cuenta que un bit en estado 0 equivale a False y un bit en estado 1 equivale a True.

Ilustración 1. Ejemplo de puertas lógicas para la computación clásica (Fuente: elaboración propia)

¿Cuál es el origen de la computación cuántica?

En 1981 Paul Benioff propuso una teoría para aplicar las leyes de la mecánica cuántica a la computación. Paul proponía un nuevo paradigma computacional en el que la unidad mínima de información es el qubit. En este caso, los qubits se pueden encontrar en los estados básicos 0, 1 o una combinación lineal de los estados 0 y 1 llamado estado en superposición:

Una nota importante con respecto a los estados de los bits y qubits es que para los bits ambos estados son observables, es decir, si observamos un bit podemos saber si está en estado 0 o 1. Sin embargo, en el caso de los qubits, los estados en superposición no son observables, es decir, si un qubit está en un estado en superposición al observarlo colapsará a uno de los estados básicos (0 o 1) y no podremos saber cuál es realmente el estado en superposición en que se encontraba.

Pero… ¿Qué implica exactamente este nuevo estado?

Computación cuántica vs computación clásica

Este nuevo estado en superposición se traduce en una mayor capacidad de computación:

  • En un ordenador clásico con bits la cantidad de información contenida en un estado concreto es de tamaño , es decir, una combinación concreta de ceros y unos. Por ejemplo, si es 2, un estado concreto podría ser 01.
  • Sin embargo, en un ordenador cuántico de  bits, la cantidad de información contenida en un estado concreto es de , ya que se combinan linealmente todas las posibles combinaciones de  ceros y unos.

Si en la computación clásica podemos modificar un estado de la máquina mediante puertas lógicas, en el caso de la computación cuántica, estas transformaciones son más interesantes. Sobre todo al contar con los estados en superposición ya que su manipulación nos va a ofrecer más información que si únicamente manipulamos los estados básicos. Dichas transformaciones de estados se pueden realizar mediante puertas cuánticas, que son puertas lógicas generalizadas a qubits. Se ha demostrado que las puertas cuánticas existentes pueden reproducir el comportamiento de cualquier conjunto de puertas clásicas por lo que un ordenador cuántico puede realizar todas las operaciones de un ordenador clásico y más.

Puntos clave de las puertas cuánticas

  • Universalidad: una propiedad importante de algunas puertas lógicas en la computación clásica es la de universalidad. Que dice que para cualquier combinación de puertas clásicas existe una combinación de la puerta universal que replica su comportamiento. En el caso de la computación clásica la puerta NAND (negación de AND) se dice que es universal. Si denotamos NAND como ↑, se puede probar que:

¬ a = a ↑ a

a ∧ b = (a ↑ a) ↑ (b ↑ b)

a ∨ b = (a ↑ b) ↑ (a ↑ b)

En el caso de la computación cuántica se dice que un conjunto de puertas es universal si cualquier operación unitaria puede reproducirse con un circuito cuántico construido únicamente con esas puertas. En 1989 David Deutsch fue el primero en demostrar la existencia de una puerta universal cuántica, la puerta de Deutsch, de tres qubits.

  • Reversibilidad: en la computación cuántica es necesario que las puertas lógicas transformen los estados básicos y en superposición en nuevos estados válidos. Es decir, cuyos módulos al cuadrado sumen 1. Y como toda matriz unitaria tiene una inversa, las puertas lógicas son todas reversibles. Esta propiedad de reversibilidad, que no se cumple con todas las puertas lógicas de la computación clásica, es realmente útil. Porque nos permite conocer el estado inicial de un qubit tras aplicarle una transformación mediante una puerta cuántica.

La computación cuántica a día de hoy

El 8 de enero de 2019 se presentó al público el primer ordenador cuántico comercial. En concreto el IBM Q System One. Este ordenador cuántico sólo cuenta con 20 qubits lo que hace que su poder de computación sea más avanzado que el de un ordenador clásico. Pero sabemos que existen otros ordenadores cuánticos con más qubits en los laboratorios de la propia IBM (50 qubits), Intel (49 qubits) o Google (72 qubits). Además, no se puede decir que sea precisamente portable ya que se encuentra dentro de un cubo de vidrio de nada menos que 2,7 metros de lado que se encarga de mantener la temperatura exacta a la que se debe encontrar la máquina para poder funcionar, -273 grados Celsius o temperatura de cero absoluto.

Ilustración 2: IBM Q System One (Fuente: IBM)

Aunque la base teórica sobre la que se desarrolla la computación cuántica es correcta, uno de los problemas para desarrollar ordenadores cuánticos con mayor capacidad de computación es el de la corrección de errores en los qubits actuales. Los que introducen ruido en las operaciones y complicarían la interacción entre un número más extenso de qubits.

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Alba Muñoz del Río, alumna del Máster Big Data y Business Analytics en IMF Business School.

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