¿Qué es la computación cuántica?

Es muy probable que en alguna ocasión escuchases sobre la computación cuántica y que esto podría cambiar nuestro futuro en el aspecto tecnológico y científico. ¿Pero qué es la computación cuántica?, ¿Qué la hace diferente de la computación que conocemos hoy?

La computación cuántica surge en el año 1981, cuando Paul Benioff expuso su teoría para aprovechar las leyes cuánticas en el entorno de la computación. En vez de trabajar a nivel de voltajes eléctricos, se trabaja a nivel de cuanto. En la computación digital, un bit sólo puede tomar dos valores: 0 ó 1. En cambio, en la computación cuántica, intervienen las leyes de la mecánica cuántica, que postula entre sus principios que las partículas pueden estar en varios estados o valores al mismo tiempo, lo que es llamado superposición cuántica. Esto aplicado a la computación nos permite realizar varias operaciones a la vez por medio de algoritmos cuánticos, que a diferencia de los algoritmos clásicos estos trabajan sobre una arquitectura de puertas cuánticas donde se procesan qbits o también llamados bits cuánticos. Los bits clásicos solo pueden estar en uno de los dos estados posibles 1 ó 0, mientras que los qbits pueden estar en ambos a la vez, esto permite desarrollar algoritmos capaces de realizar varios problemas al mismo tiempo.

  

En el año 1982 el físico Richard Feynman quien fue uno de los principales en aportar bases teóricas a la mecánica cuántica observó que ciertos procesos cuánticos no pueden ser simulados eficientemente por una computadora tradicional y sugirió que estos efectos podrían ser utilizados para realizar computaciones en una manera totalmente nueva. En 1985 Feynman presentó el concepto en una conferencia titulada “Quantum Mechanical Computers” (maquina computacional cuántica) y así nació este nuevo campo de la computación.

Un ejemplo simple de cómo los algoritmos cuánticos funcionan es la del laberinto. Imaginemos un laberinto y queremos saber cuál es la ruta que conduce a la salida. Un algoritmo clásico tiene que realizar de manera secuencial, es decir, una por una, cada posible ruta hasta llegar a la que conduce a la salida, mientras que un algoritmo cuántico puede realizar todas las rutas posibles al mismo tiempo. Como vemos el algoritmo cuántico muestra una clara ventaja en cuanto a costo de tiempo en resolver el problema, ya que mientras un algoritmo clásico debe realizar una ruta a la vez el algoritmo cuántico lo pueden realizar todas a la vez.

Para explicar mejor la superposición cuántica imaginemos que tenemos un dado de tamaño microscópico a escala subatómica y lo arrojamos. En un entorno clásico, es decir, a nuestra escala esperaríamos que solo uno de los valores posibles –una de sus caras- sea el resultado, pero según los principios de la mecánica cuántica lo que ocurre es que todas las caras posibles del dado estarían de manera simultánea. De allí que un qbit pueda estar en los dos estados al mismo tiempo. Sin embargo, la computación cuántica tiene un problema, que es ocasionado por los mismos principios básicos de la mecánica cuántica. Cuando una partícula superposicionada es medida solo uno de sus estados posibles de ella es observada, es decir, pasa a un estado clásico. Lo mismo pasa con los bits cuánticos que pierden su valor unitario (estar en 1 y 0 a la vez), por la cual se busca aislar el entorno cuántico de tal manera que la decoherencia sea mínima y realizar las operaciones en un lapso de tiempo menor al tiempo de dechorencia. 

La computación cuántica fue por mucho tiempo puramente teórico, pero recientemente ya se han desarrollado estos computadores, no obstante, no han sido funcionales y estables. Pero cuando todos los problemas sean resueltos estas computadoras como se ha mencionado anteriormente podrán resolver problemas en un coste de tiempo corto, lo cual nos facilitaran realizar tareas que requieren gran cantidad de procesamiento. Por ejemplo, Supongamos que queremos encontrar los números primos de exactamente 48 dígitos que toma 10 años usando los procesadores comúnmente disponibles. Una computadora cuántica usaría sólo una fracción de ese tiempo, digamos unas pocas horas, gracias a que en lugar de pasar afanosamente por cada uno de los posibles estados que la resolución del problema requiere, el algoritmo cuántico toma un atajo pasando por muchísimos estados al mismo tiempo y volviendo al proceso tradicional únicamente para reportar resultados o para tomar la siguiente entrada. Este atajo se denomina paralelismo cuántico. 

Otra de las novedades que nos trae la computación cuántica es la criptografia cuántica que es un método de cifrado sustentado en los principios de la computación cuántica y basada en algoritmos cuánticos. La criptografía cuántica como idea se propuso en 1970, pero no es hasta 1984 que se publica el primer protocolo. La diferencia entre la criptografía clásica y la cuántica radican en que la primera tiene como base de seguridad supuestos de complejidad computacional no demostrada de ciertos problemas matemáticos, como lo son el problema de factorización de números enteros y el problema de logaritmos discretos. La segunda (cifrado cuántico), tiene como base principios de la mecánica cuántica, como lo es el principio de incertidumbre de Heisenberg, que nos dice que el proceso de medir en un sistema cuántico perturba dicho sistema, por la cual si un tercero intercepta la clave secreta en su proceso de creación este se altera advirtiendo al intruso antes de que se transmita la información. Los estados cuánticos no se pueden copiar (clonar) y se modifican irremediablemente cuando se miden.

Una de las computadoras cuánticas más recientes construidas es el D-Wave 2x de Google, construido con ayuda de la NASA. Sin embargo, algunos expertos se han mantenido escépticos con su funcionalidad y estabilidad. Por lo tanto, aún le falta mucho recorrido a la computación cuántica para poder reemplazar las computadoras clásicas.

Fuentes: 

Morales Díaz, Leonel. Computación cuantica.

García, Alfonsa, Francisco García, and Jesús García. cryp4you.Aula Virtual. 5 19, 2014. http://www.criptored.upm.es/crypt4you/temas/cuantica/leccion1/leccion01.html (accessed Febrero 22, 2016).

Wikipedia Computación Cuántica. https://es.wikipedia.org/wiki/Computaci%C3%B3n_cu%C3%A1ntica