La física cuántica ya ha tenido un impacto significativo en nuestras vidas. Los inventos del láser y el transistor son de hecho una consecuencia de la teoría cuántica, y dado que ambos componentes son un bloque de construcción básico de todos los dispositivos electrónicos que existen hoy en día, lo que estás presenciando es básicamente "mecánica cuántica en acción".
Habiendo dicho eso, la industria cuántica ahora está lista para revolucionar el mundo de la computación a medida que se realizan esfuerzos sustanciales para aprovechar el verdadero poder del reino cuántico. La computación cuántica podría encontrar aplicaciones en diversos sectores como la seguridad, la salud, la energía e incluso la industria del entretenimiento.
Computadoras cuánticas frente a computadoras clásicas
La historia de la teoría cuántica se remonta a más de un siglo. Sin embargo, el zumbido cuántico actual se debe a hallazgos de investigaciones recientes que sugieren que la incertidumbre, una propiedad inherente de las partículas cuánticas, puede servir como un arma poderosa para realizar el potencial cuántico.
Como dice la teoría, es aparentemente imposible conocer todas y cada una de las propiedades de las partículas cuánticas individuales (es decir, electrones o fotones). Considere un ejemplo de un GPS clásico, donde puede predecir con precisión la velocidad, la ubicación y la dirección de su movimiento mientras llega a su destino deseado.
Sin embargo, un GPS cuántico no puede determinar con precisión todas las propiedades anteriores para una partícula cuántica, ya que las leyes de la física cuántica no le permiten hacerlo. Esto da lugar a un lenguaje probabilístico en el mundo cuántico en lugar del lenguaje clásico de certeza.
En este caso, el lenguaje probabilístico implica asignar probabilidades a diferentes propiedades de las partículas cuánticas, como la velocidad, la posición y la dirección del movimiento, que aparentemente son difíciles de afirmar con certeza. Esta naturaleza probabilística de las partículas cuánticas da lugar a una posibilidad que permite que cualquier cosa suceda en cualquier momento.
A la luz de la informática, los ceros y unos binarios representados como qubits (bits cuánticos) poseen la propiedad de ser un 1 o un 0 en cualquier momento.
La representación anterior deja un sabor amargo en la boca ya que en las máquinas clásicas los ceros y unos están ligados a interruptores y circuitos que se encienden y apagan en diferentes instantes. Por lo tanto, no conocer su estado exacto (es decir, encendido o apagado) no parecería sensato en el contexto de la computación.
En un sentido real, podría provocar errores de cálculo. Sin embargo, el procesamiento de la información en el mundo cuántico se basa en el concepto de incertidumbre cuántica, en el que la "superposición" de 0 y 1 no es un error, sino una característica. Permite un procesamiento de datos más rápido y facilita una comunicación más rápida.
En la cúspide de la computación cuántica
La consecuencia de la propiedad probabilística de la teoría cuántica es que la copia precisa de información cuántica es aparentemente imposible. Desde el punto de vista de la seguridad, esto es significativo ya que los ciberdelincuentes que pretendan copiar claves cuánticas para cifrar y enviar mensajes eventualmente fallarían, incluso si obtienen acceso a computadoras cuánticas.
Es importante destacar aquí que este cifrado de alto nivel (es decir, un método sofisticado para convertir datos secretos o claves en un código que evita el acceso no autorizado) es el resultado de las leyes de la física y no de los algoritmos escritos matemáticamente que se utilizan hoy en día. Los cifrados matemáticos se pueden descifrar con la ayuda de potentes ordenadores, sin embargo, descifrar el cifrado cuántico requiere reescribir las leyes fundamentales de la física.
Como el cifrado cuántico difiere de las técnicas de cifrado actuales, de manera similar, las computadoras cuánticas se diferencian de las clásicas en un nivel muy fundamental. Considere una analogía de un automóvil y un carro de bueyes. Aquí, un automóvil obedece ciertas leyes de la física que lo llevan al destino deseado en un tiempo más rápido en comparación con su contraparte. La misma filosofía se aplica a una computadora cuántica y una computadora clásica.
Una computadora cuántica aprovecha la naturaleza probabilística de la física cuántica para realizar cálculos y procesar datos de una manera única. Puede realizar tareas informáticas a un ritmo mucho más rápido y también dar un salto hacia conceptos tradicionalmente imposibles como el de la teletransportación cuántica. Esta forma de transmisión de datos podría allanar el camino para la Internet del futuro, es decir, la Internet cuántica.
¿Para qué se podría utilizar una computadora cuántica hoy en día?
Las computadoras cuánticas podrían ser útiles para las organizaciones de I + D, las autoridades gubernamentales y las instituciones académicas, ya que podrían ayudar a resolver problemas complejos que las computadoras actuales encuentran difíciles de abordar.
Una aplicación importante podría ser el desarrollo de fármacos, en el que podría simular y analizar sustancias químicas y moléculas sin problemas, ya que las moléculas funcionan según las mismas leyes de la física cuántica que las computadoras cuánticas. Además, la simulación eficaz de la química cuántica podría ser posible ya que las supercomputadoras más rápidas no logran el objetivo en la actualidad.
Además, las computadoras cuánticas podrían resolver problemas complejos de optimización y ayudar en la búsqueda rápida de datos sin clasificar. Existen numerosas aplicaciones a este respecto que van desde la clasificación de datos climáticos, sanitarios o financieros aparentemente dinámicos, hasta la optimización de la logística o el flujo de tráfico.
Las computadoras cuánticas también son buenas para reconocer patrones en los datos, como en los problemas de aprendizaje automático. Además, las computadoras cuánticas podrían desempeñar un papel crucial en el desarrollo de modelos para predecir el futuro, como en el pronóstico del tiempo.
Preparándose para el futuro cuántico
A medida que la carrera por un futuro cuántico ocupa un lugar central, los inversores y los organismos gubernamentales están impulsando miles de millones de dólares en I + D cuántica. Ya se ha implementado una red de comunicación global que emplea distribución de claves cuánticas basada en satélites, lo que abre el camino para futuros desarrollos.
Empresas como Google, Amazon, Microsoft, IBM y otras están haciendo grandes inversiones en el desarrollo de recursos de computación cuántica, es decir, hardware y software.
Según Cosmos , un equipo de investigadores en China construyó una computadora cuántica que completó un cálculo complejo en poco más de 60 minutos que habría tomado al menos 8 años o más para completar una computadora clásica.
Es un punto culminante de los desarrollos de la computación cuántica que han tenido lugar durante los últimos dos años. Se cree que la comunidad científica finalmente ha logrado la esquiva "ventaja cuántica", donde la computación cuántica está en condiciones de resolver el problema más sofisticado que la computación clásica podría literalmente tomar un tiempo poco práctico para comprender.
Google logró el hito cuántico por primera vez en 2019, donde usaron qubits que usaban corriente para realizar cálculos. Más tarde en 2020, el equipo chino utilizó qubits fotónicos para acelerar el proceso. Ahora, en 2021, otro equipo chino (dirigido por Jian-Wei Pan en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Shanghai) ha vuelto a superar a Google.
En un artículo de investigación publicado en el servidor de preimpresión ArXiv , el equipo de investigación que contribuyó reveló sus hallazgos para la ventaja cuántica en el que utilizaron qubits superconductores en un procesador cuántico llamado Zuchongzhi que consta de 66 qubits. El equipo demostró que Zuchongzhi era capaz de manipular 56 qubits para manejar un problema computacional que tenía como objetivo probar la potencia de las computadoras.
Aceptando la incertidumbre
El rápido desarrollo en el mundo de la tecnología cuántica en los últimos cinco años ha sido bastante emocionante. Según The Quantum Daily , se espera que la industria cuántica tenga una valoración de miles de millones de dólares para fines de 2030. Aunque existen varios desafíos prácticos que superar antes de un despliegue a gran escala, el futuro parece brillante.
Afortunadamente, la teoría cuántica arroja luz sobre el lado positivo de la "imprevisibilidad". Según la teoría, dos qubits se pueden bloquear entre sí con una probabilidad de que cada qubit permanezca indeterminado individualmente, pero esté sincronizado con el otro cuando se lo mira como una unidad, lo que implica que ambos son 0 o 1.
Esta imprevisibilidad individual y certeza combinada se denomina "entrelazamiento", una herramienta útil para la mayoría de los algoritmos de computación cuántica de la actualidad. Por lo tanto, al manejar la incertidumbre con cautela, las organizaciones pueden ponerse en forma para abrazar el futuro cuántico.
