Durante la mayor parte de nuestra historia, la tecnología humana consistió en nuestros cerebros, fuego y palos afilados. A medida que el fuego y los palos se convirtieron en plantas de energía y armas nucleares, la mayor actualización ha ocurrido en nuestros cerebros desde la década de 1960.
La potencia de nuestras máquinas cerebrales ha seguido creciendo exponencialmente, lo que ha permitido que las computadoras se vuelvan más pequeñas y poderosas al mismo tiempo. Sin embargo, este proceso está a punto de alcanzar sus límites físicos. Las partes de las computadoras están llegando al tamaño de un átomo. Para comprender por qué esto es un problema, debemos aclarar algunos conceptos básicos.
La estructura de una computadora
Una computadora se compone de componentes muy simples que realizan tareas muy simples. Estos componentes representan datos, procesan información y controlan mecanismos. Los chips de computadora contienen módulos que contienen puertas lógicas que contienen transistores.
Un transistor es la forma más simple de un procesador de datos en las computadoras. Básicamente, es un interruptor que puede bloquear u abrir el paso de la información. La información está compuesta por bits, que pueden tener un valor de cero o uno. Combinaciones de varios bits se utilizan para representar información más compleja. Los transistores se combinan para crear puertas lógicas que aún realizan tareas muy simples.
Por ejemplo, una puerta AND envía una salida de uno si todas sus entradas son uno, y una salida de cero en caso contrario. Combinaciones de puertas lógicas finalmente forman módulos significativos, por ejemplo, para sumar dos números. Una vez que puedes sumar, también puedes multiplicar, y una vez que puedes multiplicar, básicamente puedes hacer cualquier cosa, ya que todas las operaciones básicas son literalmente más simples que las de matemáticas de primer grado.
Puedes imaginar una computadora como un grupo de niños de siete años que responden preguntas de matemáticas muy básicas. Un grupo lo suficientemente grande de ellos podría calcular cualquier cosa, desde la astrofísica hasta Zelda.
El desafío de la física cuántica
Sin embargo, con las partes cada vez más pequeñas, la física cuántica está complicando las cosas. En pocas palabras, un transistor es simplemente un interruptor eléctrico. La electricidad son electrones moviéndose de un lugar a otro, por lo que un interruptor es un pasaje que puede bloquear que los electrones se muevan en una dirección.
Hoy en día, una escala típica para los transistores es de 14 nanómetros, lo cual es aproximadamente ocho veces menor que el diámetro del virus del VIH y 500 veces más pequeño que la célula roja de la sangre. A medida que los transistores se reducen al tamaño de unos pocos átomos, los electrones pueden transferirse al otro lado de un pasaje bloqueado a través de un proceso llamado «túnel cuántico».
En el reino cuántico, la física funciona de manera muy diferente de las formas predecibles a las que estamos acostumbrados, y las computadoras tradicionales simplemente dejan de tener sentido. Nos estamos acercando a una verdadera barrera física para nuestro progreso tecnológico.
La promesa de la computación cuántica
Para resolver este problema, los científicos están tratando de aprovechar estas propiedades cuánticas inusuales construyendo computadoras cuánticas. En las computadoras normales, los bits son las unidades más pequeñas de información. Las computadoras cuánticas utilizan «qubits», que también pueden tener uno de dos valores. Un qubit puede ser cualquier sistema cuántico de dos niveles, como el spin en un campo magnético o un fotón individual. En el mundo cuántico, el qubit no tiene que estar en uno de esos estados definitivamente, puede estar en cualquier proporción de ambos estados a la vez.
Esto se llama superposición. Sin embargo, en el momento en que pruebas su valor, por ejemplo, enviando el fotón a través de un filtro, tiene que decidir si está polarizado vertical u horizontalmente. Mientras no se observe, el qubit está en una superposición de probabilidades para 0 y 1, y no se puede predecir en cuál estará. Pero una vez que lo mides, colapsa en uno de los estados definitivos. La superposición es un cambio de juego.
Cuatro bits clásicos pueden estar en una de las 16 configuraciones diferentes al mismo tiempo. Eso son 16 combinaciones posibles de las cuales solo puedes usar una. Sin embargo, cuatro qubits en superposición pueden estar en todas esas 16 combinaciones al mismo tiempo. Este número crece de manera exponencial con cada qubit adicional. Con 20 de ellos, ya puedes almacenar un millón de valores en paralelo.
Una propiedad realmente extraña e intuitiva que los qubits pueden tener es la «entrelazación». Es una conexión cercana que hace que cada uno de los qubits reaccione a un cambio en el otro estado de forma instantánea, sin importar cuán lejos estén entre sí. Esto significa que al medir solo un qubit entrelazado, puedes deducir directamente las propiedades de sus compañeros sin tener que mirarlos.
La manipulación de qubits también es sorprendente. Una compuerta lógica normal toma un conjunto simple de entradas y produce una salida definitiva. Una compuerta cuántica manipula una entrada de superposiciones, gira probabilidades y produce otra superposición como salida. Por lo tanto, una computadora cuántica configura algunos qubits, aplica compuertas cuánticas para entrelazarlos y manipular probabilidades, y finalmente mide el resultado colapsando las superposiciones a una secuencia real de ceros y unos.
Las promesas de la computación cuántica
Esto significa que obtienes todas las posibles cálculos que son posibles con tu configuración, todos realizados al mismo tiempo. En última instancia, solo puedes medir uno de los resultados y probablemente solo sea el que deseas. Por lo tanto, es posible que debas verificar y volver a intentarlo, pero al aprovechar inteligentemente la superposición y la entrelazación, esto puede ser exponencialmente más eficiente de lo que nunca sería posible en una computadora normal.
Si bien las computadoras cuánticas probablemente no reemplazarán nuestras computadoras domésticas en algunas áreas, son vastamente superiores en otras. Una de ellas es la búsqueda en bases de datos. Para encontrar algo en una base de datos, una computadora normal puede tener que probar cada una de sus entradas. Los algoritmos cuánticos solo necesitan la raíz cuadrada de ese tiempo, lo cual es una diferencia enorme para bases de datos grandes.
El uso más famoso de las computadoras cuánticas es en la seguridad de las IT. Actualmente, la información de navegación, correo electrónico y banca se mantiene segura mediante un sistema de cifrado en el que das a todos una clave pública para codificar mensajes que solo tú puedes descifrar. El problema es que esta clave pública puede usarse para calcular tu clave privada secreta. Afortunadamente, hacer los cálculos necesarios en cualquier computadora normal llevaría literalmente años de prueba y error.
Pero una computadora cuántica con una velocidad exponencial podría hacerlo fácilmente. Otro uso realmente emocionante es en simulaciones. Las simulaciones del mundo cuántico requieren muchos recursos y, incluso para estructuras más grandes como moléculas, a menudo carecen de precisión.
Entonces, ¿Por qué no simular la física cuántica con física cuántica real? Las simulaciones cuánticas podrían brindar nuevas ideas sobre proteínas que podrían revolucionar la medicina. En este momento, no sabemos si las computadoras cuánticas serán solo una herramienta muy especializada o una gran revolución para la humanidad. No sabemos dónde están los límites de la tecnología y solo hay una forma de descubrirlo.
