Computación cuántica.
La persistencia de la memoria.
La computación cuántica es uno de los grandes
retos intelectuales y tecnológicos de la actualidad. Por un lado, atañe a
cuestiones de hondo calado filosófico; por otro, la promesa de una nueva
computación, exponencialmente más eficiente en ciertos casos que la
posibilitada por los ordenadores clásicos, alberga un gran potencial disruptivo
para la Ciencia, la industria (en sentido amplio), y para otros ámbitos de la
sociedad. En este capítulo, se revisarán muy brevemente el concepto y la
historia de la computación cuántica; se pretende dar así una visión cercana del
campo, el cual ha experimentado un desarrollo espectacular durante las últimas
décadas.
La
computación cuántica se fundamenta en la utilización de ciertos efectos
(cuánticos) que aparecen a escalas microscópicas a la hora de definir cuál es
la unidad básica de información, el denominado qubit. Esto tiene increíbles
consecuencias. La naturaleza intrínsecamente cuántica de los qubits hace que su
comportamiento siga unas reglas diferentes de las que sigue la lógica binaria
basada en bits clásicos (ceros y unos), en la cual por otra parte están basados
todos los dispositivos electrónicos digitales tales como ordenadores, teléfonos
móviles, etc. Propiedades tales como la superposición, el entrelazamiento y la
interferencia proporcionan las herramientas para manipular (¡y entender!) la
información de un modo totalmente novedoso, que trae consigo algoritmos
cuánticos que resuelven algunos problemas de manera exponencialmente más rápida
que los mejores algoritmos clásicos conocidos. Una consecuencia directa es que
numerosos métodos de encriptado ampliamente utilizados en la actualidad
quedarán obsoletos cuando exista un ordenador cuántico con corrección de
errores. Esto significa que la privacidad y seguridad de las comunicaciones
(transacciones bancarias, correos electrónicos, etc.) a nivel global se verán
comprometidas. Por lo tanto, en unos años habrá que cambiar estos sistemas de
encriptación por otros protocolos resistentes a ordenadores cuánticos, a escala
planetaria. Debido a éste y a otros motivos, las implicaciones de los
ordenadores cuánticos trascienden el ámbito puramente académico y científico, y
mantienen a las grandes potencias con un ojo (y un fajo de billetes) sobre esta
potencialmente disruptiva nueva tecnología.
Para entender la historia y los fundamentos de la computación cuántica, es necesario adentrarse en las raíces de la Ciencia de la Computación. En 1936, mientras en España estallaba la guerra civil, Alan Turing (o como se refería a él nada menos que el genial físico Richard Feynman, el “señor Turing”) publicaba un artículo que a la postre cambiaría el rumbo del mundo. Y no sólo porque sus ideas le permitirían a él y a sus colaboradores construir una máquina que acabó descifrando Enigma, el código secreto utilizado por los nazis para encriptar sus comunicaciones durante la segunda guerra mundial; sino porque además sentó, de manera decisiva, las bases matemáticas rigurosas de lo que hoy en día entendemos por “computación”.
Para entender la historia y los fundamentos de la computación cuántica, es necesario adentrarse en las raíces de la Ciencia de la Computación. En 1936, mientras en España estallaba la guerra civil, Alan Turing (o como se refería a él nada menos que el genial físico Richard Feynman, el “señor Turing”) publicaba un artículo que a la postre cambiaría el rumbo del mundo. Y no sólo porque sus ideas le permitirían a él y a sus colaboradores construir una máquina que acabó descifrando Enigma, el código secreto utilizado por los nazis para encriptar sus comunicaciones durante la segunda guerra mundial; sino porque además sentó, de manera decisiva, las bases matemáticas rigurosas de lo que hoy en día entendemos por “computación”.
En
dicho artículo se introducía la denominada máquina de Turing, que en realidad
es un dispositivo abstracto. ¿Qué hace tan especial a una máquina de Turing?
Alan Turing demostró en su artículo que existe lo que se denomina una máquina
de Turing universal. Es decir, una máquina de Turing que es capaz de imitar el
comportamiento de cualquier otra máquina de Turing. Esto significa, por un
lado, que no necesitamos construir una máquina para leer el correo, otra para
reproducir vídeo y otra para jugar al ajedrez. Es posible tener una sola
máquina que haga todo esto. No obstante, el verdadero alcance del resultado de
Turing se debe a la denominada hipótesis de Church-Turing. Ésta afirma que cualquier
aparato de computación posible es emulable por una máquina universal de
Turing. Esto significa, de ser cierto, que no necesitamos preocuparnos por las
características particulares del ordenador que queramos construir (ahora o en
el futuro), ya que si estudiamos las máquinas de Turing, entonces podremos
derivar resultados que son aplicables a cualquier aparato de computación
imaginable. Vemos por lo tanto la potencia y utilidad de esta hipótesis. La
hipótesis de Church-Turing es considerada verdadera por la mayoría de expertos
en el tema, si bien no ha sido demostrada.
Los
ordenadores clásicos son, en esencia, un montón de ceros y unos sobre los que
se aplican operaciones (puertas) que siguen la lógica binaria. Existe un
resultado de universalidad que dice que absolutamente todo lo que hacen los
ordenadores hoy en día puede reducirse en principio a montones de operaciones
NAND, COPY y SWAP sobre miles de millones de bits. Esto incluye desde navegar
por internet, reproducir música, etc. hasta generar exquisitos “nuevos cuadros
de Rembrandt” digitalizados o ganar al ajedrez a los mejores y más brillantes
jugadores del mundo. Los ordenadores muestran de forma espectacular cómo
algo tremendamente complejo puede emerger a partir de unas unidades
constituyentes tremendamente sencillas, cuando juntas muchísimas de ellas de la
manera apropiada. También demuestran las inquietantes capacidades “humanas” que
pueden adquirir las máquinas, tales como aprender la técnica de un maestro de
la pintura y reproducir su estilo en nuevas obras originales. Crear arte.
Muchos estarán de acuerdo en que el arte es algo genuina y exclusivamente
humano… ¿pero es así realmente? ¿O tal vez es que nosotros mismos no somos sino
meros ordenadores, sofisticados, pero emulables al fin y al cabo por una
máquina universal de Turing? Sea como fuere, cuando se discuten éste y otros
temas similares, es interesante también tener presente la reflexión de Feynman,
que nos recuerda que los aviones pueden volar, pero tal vez sean de limitado
uso para intentar comprender la naturaleza última de las aves.
Volviendo
a la computación cuántica, la idea surgió inicialmente a raíz de dos cuestiones
fundamentales. Por un lado, la consideración de cuáles son las limitaciones
últimas que imponen las leyes de la Física a la computación. En particular, fue
el físico Charles Bennett quien le sugirió a Feynman esta pregunta con respecto
de la Mecánica Cuántica. El propio Bennet había demostrado ya que la
computación reversible, es decir, aquella que hace uso de puertas lógicas
reversibles (a diferencia del NAND, que es irreversible), también es universal.
Las leyes cuánticas son reversibles en el tiempo; por lo tanto, las puertas
cuánticas son también reversibles, y el resultado de Bennet implica que la
computación cuántica puede ser universal. Por otro lado, el segundo motivo que
llevó a la idea de la computación cuántica fue la comprensión de que la
descripción clásica de los sistemas cuánticos necesita en general de un número
de parámetros que crece exponencialmente con el tamaño del sistema (por
ejemplo, con el número de partículas), y por lo tanto, no es eficiente. Feynman
se dio cuenta de que un sistema (un ordenador) cuántico, en cambio, sí podría
emular a otro sistema cuántico de forma más eficiente, pues ambos están regidos
por las mismas leyes. La ineficiencia de los ordenadores clásicos para
describir sistemas cuánticos había sido observada también por el matemático
Yuri Manin. Feynman propuso un simulador cuántico, expandiendo las ideas de
Paul Benioff a este respecto. El siguiente gran avance teórico lo introdujo el
físico David Deutsch al definir por primera vez una máquina de Turing cuántica.
La máquina de Turing cuántica es a los ordenadores cuánticos lo que la máquina
de Turing a los ordenadores clásicos. Fundamental.
Otro
resultado importantísimo en computación cuántica, análogo al de la
universalidad de la puerta NAND en computación clásica, es la universalidad de
las puertas de dos qubits. Esto significa que sólo es necesario un conjunto
apropiado (y reducido) de puertas lógicas cuánticas que actúen sobre un qubit y
de puertas que actúen sobre dos qubits conjuntamente para aproximar tanto como
se quiera cualquier otra transformación cuántica posible. Considero estos dos
resultados de universalidad (clásico y cuántico) tremendamente sugerentes. Es
como si la Naturaleza y las leyes de la Física nos quisieran regalar esta
enorme simplificación en términos tanto conceptuales como prácticos a la hora
de construir ordenadores. Otro resultado crucial que nos brinda la Naturaleza,
descubierto en la década de los 90, es la posibilidad de incorporar esquemas de
corrección de errores a los ordenadores cuánticos. Esto parece casi un milagro,
teniendo en cuenta que los sistemas cuánticos no pueden ser observados, por
ejemplo para comprobar si se ha producido un error, sin destruir su estado
previo a la medida. Y teniendo en cuenta también que los qubits tampoco pueden
ser clonados o copiados, lo cual constituye por su parte otro resultado
sorprendente y fundamental. Muchos de los algoritmos cuánticos conocidos más
importantes necesitarán de corrección de errores para poder resolver problemas.
Esto tardará todavía un tiempo en llegar. Mientras tanto, se han propuesto toda
una serie de algoritmos híbridos cuánticos-clásicos que son más robustos a los
errores sistemáticos presentes en los ordenadores cuánticos, y que no requieren
necesariamente de corrección de errores. Estos algoritmos acercarán las
primeras aplicaciones útiles de la computación cuántica en el tiempo, y hoy en
día se ha desarrollado todo un campo de investigación en torno a ellos. Las
futuribles aplicaciones de los ordenadores cuánticos incluyen la ciencia de
materiales, la ciberseguridad, la bioinformática, el análisis financiero, la
industria militar, la logística, la inteligencia artificial y un largo etcétera1.
Esto puede dar una idea del gran impacto que puede suponer la computación
cuántica. No en vano, es un potencial factor diferencial, y como tal, un
elemento de competición geopolítica. Esto es aplicable también a la
supercomputación clásica. Basta observar cuáles son los países con mayor poder
de supercomputación hoy en día: EEUU y China.
Prototipo de ordenador
cuántico.
En
definitiva, la computación cuántica alberga un gran potencial disruptivo. La
mejora de los ordenadores clásicos basada en la continua miniaturización de los
transistores al ritmo marcado por la ley de Moore2 se acerca a su fin. Los
transistores no pueden hacerse infinitamente pequeños, ya que a cierta escala
empiezan a aparecer los efectos cuánticos. Todavía no sabemos cuál será el
soporte físico definitivo de los ordenadores cuánticos del futuro, pero el
objetivo de su construcción está suponiendo un gran esfuerzo de investigación
experimental en multitud de sistemas físicos distintos, desde materiales
superconductores o semiconductores hasta sistemas de unos pocos átomos o
fotones. Esto es muy bueno en sí mismo, aunque algunas de estas tecnologías no
lleguen a alcanzar el objetivo final. Asimismo, la Teoría de la Información
Cuántica nos ha posibilitado una comprensión muchísimo más amplia de la propia
Mecánica Cuántica. Así pues, en el peor de los casos, en el supuesto escenario
en el que la construcción de un ordenador cuántico no fuera viable, el camino
recorrido habría merecido la pena con creces. No obstante, lo increíble es que
nada parece indicar que ése vaya a ser el caso.
Notas:
1 Nota de los coordinadores: Extracto de la conferencia de
D. Ignacio Cirac en la Fundación Ramón Areces el 26/09/2019 donde anima/fomenta
a los jóvenes a ser científicos, y no solo a los físicos, en multitud de
disciplinas que terminarán teniendo importancia en el desarrollo de la computación
cuántica: https://youtu.be/n9YLhLb_wl0
2 La ley de Moore es una
ley empírica, formulada en 1965 por Gordon Moore, cofundador de Intel. Afirma
que el poder computacional de los ordenadores desarrollados por la humanidad se
duplica aproximadamente cada dos años; es decir, crece exponencialmente.
Diego
García-Martín.
Estudiante de doctorado
en computación cuántica en el Barcelona Supercomputing Center y el Instituto de
Física Teórica UAM-CSIC.
Doctor 21/11/2022. Fuente: IFT
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