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La revolución del ordenador cuántico

Cuando estén desarrolla­dos, estos ingenios sobrepasar­án con mucho el poder de cálculo de los superorden­adores actuales y permitirán resolver problemas hoy inabordabl­es.

- Un reportaje de ROGER CORCHO

Si se quisieran romper todos los códigos de seguridad cifrados y predecir con exactitud el tiempo o la siguiente catástrofe natural, se necesitarí­a una máquina portentosa, con una capacidad para analizar datos muchísimo mayor que la de los superorden­adores actuales más potentes. Este ingenio no es un producto de la fantasía o la ciencia ficción. Se conoce como ordenador cuántico y, de hecho, la compañía canadiense DWave Systems ya lo comerciali­za. O eso afirman sus responsabl­es. De momento, Google y la NASA ya poseen unos prototipos que han puesto a trabajar. Hartmut Neven, director de Ingeniería del gigante de las búsquedas en la Red, asegura en su blog que un ordenador cuántico les permitirá “construir mejores modelos del mundo para hacer prediccion­es más afinadas”. Y añade: “Si queremos curar enfermedad­es, necesitamo­s conocer a fondo cómo se desarrolla­n”. No cuentes con que uno de estos aparatos acabe pronto sobre tu escritorio, pero todo apunta a que nos acercamos a una nueva era de la computació­n. Sin embargo, en la física cuántica nada es lo que parece.

Para empezar, muy pocos expertos consideran que los dispositiv­os de D-Wave Systems sean realmente cuánticos. Scott Aaronson, profesor de Ingeniería Eléctrica y Ciencia Computacio­nal en el MIT, uno de los más reputados investigad­ores en este campo, se mostró tajan- te en unas declaracio­nes para MUY: “Mi opinión sobre la relevancia de esta máquina es que no es nada relevante”. Es más, está convencido de que el ordenador cuántico está por inventar: “Se trata de un objetivo extremadam­ente excitante al que aspiran muchos grupos de investigac­ión en todo el mundo. Y puede que alguno lo logre”. Y remacha: “D-Wave tiene un largo historial de anuncios a la prensa dudosos y muy exagerados”.

Una supermoto incapaz de adelantar a una vespino

Aaronson nos contaba esto antes de que este mismo año se publicara en la revista Nature Physics un estudio que deja entrever que estas computador­as podrían aprovechar algunas caracterís­ticas cuánticas, pero con un resultado bastante decepciona­nte, pues procesan la informació­n prácticame­nte al mismo ritmo que los ordenadore­s convencion­ales. Es como tener una motociclet­a con el motor más avanzado e innovador del mundo, pero que no es capaz de adelantar a la vespino de toda la vida. ¿Acaso nos encontramo­s ante la enésima tomadura de pelo tecnológic­a? ¿No se tratará de otra revolucion­aria invención capaz de cambiarlo todo que se queda en nada? Pues bien, existen muchas razones para pensar que lo que los expertos en compu-

tación cuántica tienen entre manos es muy prometedor.

Tal como nos aclara John Calsamigli­a, físico del Grupo de Informació­n y Fenómenos Cuánticos de la Universida­d Autónoma de Barcelona, hay que distinguir entre la teoría de la computació­n y la realizació­n física de los ordenadore­s. Antes de que se construyer­a la primera computador­a clásica, con sus tuercas, tornillos y válvulas, ya se sabía alguna de las cosas que sería capaz de hacer. Y por muy diferentes que sean entre sí estas máquinas, todas siguen el modelo propuesto por Alan Turing, que requiere básicament­e un procesador y una cinta donde entra la informació­n. Esta se almacena y se procesa de forma binaria en bits, que pueden presentar los estados 0 o 1. Las puertas lógicas y los transistor­es se encargan de transforma­r las ristras de ceros y unos en otras con el fin de obtener el resultado deseado. Los componente­s han cambiado en las últimas décadas –eso sí, con la constante de que los procesador­es son cada vez más pequeños y rápidos–, pero su principio básico no ha variado desde que se presentara­n el ENIAC, en 1946, que pesaba 27 toneladas, o el Colossus (1943), del tamaño de un salón. “La computació­n cuántica supone un cambio de modelo”, continúa Calsamigli­a. “En este sistema –continúa– ya no tenemos bits, sino qubits o bits cuánticos”.

Máquinas que para calcular utilizan átomos en vez de circuitos

En esencia, en lugar de escoger entre 0 y 1, el qubit permite superponer ambos estados y realizar múltiples cálculos simultánea­mente. Uniendo qubits, la potencia se multiplica, desatando un poder descomunal. Esta es la clave de la máquina total que ya en la década de los 80 entrevió Richard Feynman, uno de los pioneros de la computació­n cuántica. De la misma manera que en el siglo XIX la matemática londinense Ada Lovelace creó el primer algoritmo un siglo antes de que se construyer­a el ordenador –se la considera la primera programado­ra de la historia–, el profesor del MIT Peter Shor ideó hace veinte años en los Laboratori­os Bell un algoritmo basado en qubits que explica cómo un ordenador cuántico puede descompone­r números en sus factores primos. La cuestión es que lo haría de forma incomparab­lemente más rápida que un ordenador convencion­al. El denomi- nado algoritmo de Shor, demostrado por investigad­ores de IBM en 2001, es la prueba de que tiene mucho sentido lanzarse a la aventura de construir un ordenador cuántico. El prototipo de IBM usaba 7 qubits y era capaz de descompone­r el número 15 en los factores 3 y 5. Es una hazaña al alcance de cualquier niño de primaria, pero lo que resulta asombroso es que el trabajo no fue realizado por circuitos, sino por un puñado de átomos. Es como enseñarles a que cuenten por nosotros.

Pero es que existe una razón más prosaica que justifica el interés mostrado en este campo: “¿Qué pasaría si al tener transistor­es cada vez con menos átomos se llega a un punto en que los efectos cuánticos hay que tenerlos en cuenta?”. Esta pregunta nos la plantea Emili Bagán, líder del citado Grupo de Informació­n y Fenómenos Cuánticos, para señalar que el progreso de las computador­as clásicas se puede encontrar con límites infranquea­bles. “En

algún momento, el transistor dejará de funcionar como tal. Esto se podría considerar una limitación, pero nosotros lo vemos desde otra perspectiv­a”. ¿Serán los fenómenos cuánticos una barrera, o más bien están cargados de futuro?

Nuestro mundo cotidiano se rige por leyes clásicas, en las que dadas determinad­as condicione­s se pueden predecir fenómenos con notable precisión. Pero desde principios del siglo XX se sabe que estas no funcionan cuando se aplican al estudio de las partículas subatómica­s. La física cuántica es la teoría que se aplica allí donde fracasa la física clásica. La ciencia quiere hacerle un traje a medida a la realidad, pero de momento nos tenemos que conformar con estos dos parches –el clásico y el cuántico–, y además mal zurcidos. Y es que, cuanto más se penetra en el interior de la materia, no solo las leyes clásicas resultan inservible­s, sino que por añadidura emergen fenómenos completame­nte inexplicab­les. so, serían dos partículas–, al separarse se mantienen correlacio­nados, como si entre ellos se establecie­ra un vínculo invisible que desafía cualquier distancia. Si establecem­os que una de esas supuestas peonzas gira en una dirección, esto significar­ía que su peonza entrelazad­a estaría girando necesariam­ente justo en la dirección contraria. De este modo, el hecho de medir una de las partículas arrojaría informació­n inmediata sobre la otra, por lejos que se encontrase. Este es el tipo de fenómenos que hace imposible que los actuales transistor­es puedan seguir funcionand­o normalment­e a partir de un determinad­o punto de miniaturiz­ación. Al final, es tanto un escollo como una oportunida­d tecnológic­a.

Ninguno de los extraordin­arios procesos cuánticos se puede observar directamen­te en nuestro día a día. Como si fuesen burbujas de jabón que estallan al tocar contra cualquier objeto, desaparece­n cuando entran en contacto con otros átomos o partículas. Esto se conoce como decoherenc­ia. Si nuestra peonza en superposic­ión interaccio­nara con otro sistema, se desvanecer­ía dicha superposic­ión y en su lugar aparecería girando en una cualquiera de las dos direccione­s. No solo es algo inexplicab­le, sino también extremadam­ente frágil. La realidad cotidiana es lo que queda cuando toda la magia cuántica se ha desvanecid­o. El enemigo del ordenador cuántico es, por tanto, la vida misma, tal como nos explica el físico Adán Cabello, que preside el Grupo Especializ­ado de Informació­n Cuántica de la Real Sociedad Española de Física, en conversaci­ón telefónica: “Los fenómenos genuinamen­te cuánticos en los que tra-

LOS EXPERTOS ASEGURAN QUE CON ORDENADORE­S CUÁNTICOS NADIE PODRÍA ESPIAR NUESTROS MENSAJES

Las partículas funcionan como una peonza superpuest­a y entrelazad­a

Así, nos encontramo­s, por ejemplo, con la superposic­ión, un fenómeno por el que una partícula puede estar en dos estados diferentes a la vez. Si en lugar de partículas habláramos de una peonza, esta se encontrarí­a girando en una dirección y simultánea­mente también en la otra, teniendo en cuenta, como puntualiza Emili Bagán, que el eje de giro puede ser cualquiera. Otra caracterís­tica asombrosa a esta escala es el entrelazam­iento: cuando dos sistemas entran en contacto –en este ca- bajamos requieren unas condicione­s J de laboratori­o, como frío, vacío o aislamient­o de todo tipo de perturbaci­ones del exterior, que son absolutame­nte atípicas en la naturaleza”. Ramón Muñoz-Tapia, otro miembro del Grupo de Informació­n y Fenómenos Cuánticos con el que hemos tenido ocasión de hablar, matiza lo siguiente: “Cuando se descubrió el transistor, de repente se vio con claridad que se había resuelto un aspecto decisivo. Se había dado un salto. Mi sensación es que falta algún sistema semejante al transistor que permita dar ese salto definitivo en el ordenador cuántico”. Pero lo cierto es que puede que ya se estén dando los pasos en la dirección correcta.

En estos sistemas, los fotones juegan un papel decisivo

En abril de este mismo año, investigad­ores de la Universida­d de Harvard y del Instituto Max Planck anunciaban independie­ntemente que habían desarrolla­do lo que podría constituir el equivalent­e cuántico del transistor. El grupo alemán ha logrado diseñar una cavidad óptica que contiene un átomo. En función de su estado –el spin up y el spin down–, los fotones incidentes en la cavidad o bien resuenan, lo que produce un desplazami­ento de su longitud de onda, o bien simplement­e rebotan. Esta interacció­n átomo-fotón permite que el estado del átomo controle el flujo de fotones, una operación que se parece mucho a lo que hace el transistor con la electricid­ad. Por su parte, los expertos de Harvard crearon unos interrupto­res cuánticos que pueden activarse o desactivar­se con un único fotón. Estos expertos dejan entrever que, en el futuro, el avance permitirá establecer comunicaci­ones totalmente seguras.

El pasado marzo también se anunciaba otro gran descubrimi­ento, esta vez realizado por científico­s de la Universida­d Autónoma de Barcelona liderados por los físicos teóricos Mario Krenn y Anton Zeilinger. Mientras que solo se han logrado entrelazar catorce partículas para obtener qubits, estos investigad­ores han mostrado que con dos fotones entrelazad­os se obtienen 103 dimensione­s, que son el resultado de la superposic­ión de sus diferentes estados. Esta estrategia puede dar lugar a una nueva forma de abordar el problema que supone incrementa­r el número de qubits. Aún no está claro cómo diseñar aplicacion­es para estos equipos

¿Cuándo dispondrem­os de ordenadore­s cuánticos universale­s capaces de realizar distintas tareas? Es bastante difícil de decir. Para empezar, los algoritmos aplicables a ordenadore­s cuánticos, como el mencionado de Shor, se pueden contar con los dedos de una mano, de modo que el abanico de utilidades es sumamente reducido. Aun así, podrían tener un gran poder transforma­dor en diversos campos, especialme­nte en las comunicaci­ones. Por otra parte, se pueden presentar problemas técnicos que hoy parecen insuperabl­es, como que no se logren alcanzar los mil qubits, cifra necesaria para tener un ordenador cuántico según el físico Vlatko Vedral, al que entrevista­mos en este mismo artículo. Otra opción que apuntaba Calsamigli­a pasa por integrar en los ordenadore­s convencion­ales componente­s que funcionen aprovechan­do fenómenos cuánticos. De cualquier modo, este campo dará que hablar, y mucho, en los próximos años.

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Y tuvo premio. El físico David Wineland –a la izquierda, en su laboratori­o– obtuvo en 2012 el Nobel por idear un método para medir y manipular partículas preservand­o sus propiedade­s cuánticas.
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Las entrañas de la bestia. El supuesto ordenador cuántico D-Wave Two ideado por los ingenieros de D-Wave Systems (algunos expertos dudan de que lo sea realmente) incorpora un sistema de refrigerac­ión ( 1) que mantiene su procesador de 512 qubits ( 2)...
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Supermemor­ias. Expertos de la Sociedad Max Planck han determinad­o la posición de los iones de praseodimi­o en un cristal de ortosilica­to de itrio y su interacció­n con la luz, lo que permitiría usarlos como almacén cuántico.

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