¿Qué es un Computador Cuántico?

La firma canadiense D-Wave, acaba de demostrar lo que denominó el "Primer Computador Cuántico comercialmente viable del mundo". Tal tecnología fue presentada en el Museo de Historia del Computador ("Computer History Museum") en Mountain View, California, en una demostración que pretendió destacar cómo la máquina puede ejecutar aplicaciones comerciales, y es más eficiente en tratar los problemas que han complicado a los Computadores convencionales (o digitales).

Si bien la demostración fue llevada a cabo en el mencionado Museo de Historia del Computador, el Hardware permaneció en Burnaby, BC, donde es guardado a 5 millikelvin o  a -273.145 grados Celsius, que dicho sea de paso es más frío que el espacio intelestelar, mediante el uso de Helio líquido.

Pero, ¿Qué es un Computador Quantico?. Para poder comprender este concepto, primero debemos saber lo que es la mecánica cuantica. La mecánica cuántica es la parte de la física que estudia el movimiento de las partículas muy pequeñas y trata de explicar el comportamiento de la materia y de la energía. Es la mecánica del micromundo, esto es la mecánica de los componentes elementales de la materia y de la energía., de las llamadas partículas elementales, electrones, protones, etc.

La idea de computación cuántica surge en 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, y la partícula puede estar en superposición coherente: puede ser 0, 1 y puede ser 0 y 1 a la vez (dos estados ortogonales de una partícula subatómica). Eso permite que se puedan realizar varias operaciones a la vez, según el número de qubits. Esto ya a nivel probabilístico. 

El número de qubits indica la cantidad de bits que pueden estar en superposición. Con los bits convencionales, si teníamos un registro de tres bits, había ocho valores posibles y el registro sólo podía tomar uno de esos valores. En cambio, si tenemos un vector de tres qubits, la partícula puede tomar ocho valores distintos a la vez gracias a la superposición cuántica. Así un vector de tres qubits permitiría un total de ocho operaciones paralelas. Como cabe esperar, el número de operaciones es exponencial con respecto al número de qubits. Para hacerse una idea del gran avance, un computador cuántico de 30 qubits equivaldría a un procesador convencional de 10 teraflops (millones de millones de operaciones en punto flotante por segundo) cuando actualmente las computadoras trabajan en el orden de gigaflops (miles de millones de operaciones).

En pocas palabras, las computadoras cuánticas tienen el potencial de resolver ciertos tipos de problemas mucho más rápido que los ordenadores clásicos. Con ellas, se gana en velocidad y eficacia porque se pueden poner "bits" cuánticos como estados de superposición de uno y cero, de modo opuesto a los "bits" clásicos, que sólo pueden ser uno o cero. 

Pero construir un dispositivo que pueda realizar cálculos cuánticos no es fácil, sea cual sea el sistema físico que queramos usar. Contra nuestros deseos se opone la influencia del medio ambiente que rodea el sistema mediante dos procesos: decaimiento y decoherencia, dado el origen de ambos. El decaimiento consiste en la fuga de energía desde el sistema al medio, este proceso obliga a que los estados de energía más alta evolucionen emitiendo energía hacia los estados de mínima energía, con lo cual la mezcla inicial de estados (el factor decisivo para la computación cuántica) se convierte en una mezcla de sólo los estados de menor energía. La decoherencia es un fenómeno más sutil que no implica intercambio de energía con el medio ambiente, sino una especie de perdida de información, y es responsable de que los objetos macroscópicos que nos rodean no tengan el extraño comportamiento dictado por la mecánica cuántica, pues el medio elimina la mezcla de estados típica de la física cuántica como si se realiza continuamente una serie de medidas sobre el sistema. Como es la mezcla de estados la que da potencia a la computación ,cualquiera de estos dos procesos son letales para la consecución del cálculo; la solución está clara; mantener el sistema tan aislado de la influencia externa como sea posible durante el proceso de cálculo.

Aparte de las aplicaciones encaminadas a la ciencia básica, estos computadores podrían usarse en la criptografía y el criptoanálisis (decifrar complejas claves públicas, y a la vez crear sistemas de cifrado absolutamente seguros). Asimismo se piensa en búsquedas en inmensas bases de datos, o simulaciones meteorológicas.