¿Qué es y cómo funciona la computación cuántica?
¿Qué es la computación cuántica?
La computación cuántica es una tecnología emergente que se fundamenta en los principios de la mecánica cuántica y en el uso de algoritmos cuánticos para resolver problemas complejos de manera innovadora. En el Bachelor en Informática de la Universitat Carlemany se presentan los conceptos esenciales de informática que te prepararán para, en el futuro, profundizar y especializarte en el fascinante campo de la computación cuántica.
Superposición
: a diferencia de los sistemas tradicionales binarios clásicos, aquí los bits y qubits (bits cuánticos) existen simultáneamente en estado 0 y 1. Esto aumenta el caudal de información utilizado, y se aprovechan mucho mejor los espacios disponibles.
Interferencia
: los qubits interfieren entre sí a través de algoritmos, cancelando redundancias si es necesario. El resultado práctico es que también se aprovechan bien los espacios.
Entrelazamiento
: los qubits pueden estar interrelacionados a distancia, aunque no haya una unión directa. Esta es otra diferencia con la mecánica tradicional, que exigía elementos de unión. El proceso funciona de forma similar a lo que sucede con las sinapsis en el cerebro; esto es, para que los humanos puedan funcionar, se transmiten señales eléctricas de unas neuronas a otras a través de las cuales se comunican entre ellas.
Coherencia
: los qubits se mantienen como tales durante el tiempo que dure el funcionamiento cuántico. Por lo tanto, las probabilidades de disfunciones se reducen mucho.
Siguiendo estos criterios aplicados a la computación, se busca conseguir un procesamiento de datos de mayor calidad, con mayor cantidad y con mejores resultados. Por otro lado, es importante mencionar que los ordenadores cuánticos son más sencillos, porque carecen de procesador y de memoria.
Cómo funciona la computación cuántica
La computación cuántica, como tecnología revolucionaria, funciona con la base teórica que señaló Paul Benioff en 1981: utilizar las ventajas de la física y la mecánica cuántica para la computación. De esta manera, se conseguiría una mayor velocidad y mejores resultados.
El uso de los qubits cuánticos permite, precisamente, procesar mejor la información y conseguir resultados de mayor calidad, con menos recursos y más rápido que la media. Para ello, se aplica el principio de superposición mediante las puertas cuánticas. A diferencia del bit, que es binario, el qubit puede superponerse e ir más allá del 0-1. Además, el binomio entre computación cuántica e inteligencia artificial maximiza esta posibilidad, gracias a la resolución autónoma de problemas utilizando algoritmos cuánticos de los qubits.
Pongamos un ejemplo práctico de la capacidad de los qubits de resolución de problemas: estos pueden procesar con solo 30 qubits hasta 10 millones de operaciones en coma por segundo. Esta capacidad es muy superior a cualquier tipo de capacidad que tienen los ordenadores convencionales o hasta los supercomputadores en la actualidad. Y, obviamente, hablamos de un nivel que revolucionará la computación tal y como la conocemos.
Si bien por el momento la informática y programación cuántica es costosa, en los próximos años se extenderá. Ya hay Gobiernos que cuentan con ordenadores cuánticos, y que han hecho ensayos exitosos.
Las principales ventajas que aporta la informática cuántica
El uso de la informática cuántica puede proporcionar numerosas ventajas para quien la aplica. Y, aunque la mayoría de estas son futuras, no podemos perder de vista su presente. Destacamos las siguientes:
1. Aplicación en numerosas industrias de investigación
El sistema de funcionamiento por algoritmo que propone la computación cuántica abre dos espacios interesantísimos. Por un lado, la investigación científica de nuevos medicamentos, pero también de materiales gracias a las simulaciones. Asimismo, también ofrece posibilidades de organización de espacios mucho más reales, tanto en ciudades, organización del tráfico como en cadenas logísticas. Y, finalmente, existen numerosos problemas matemáticos que hoy no se pueden procesar con ordenadores tradicionales, pero sí con la informática cuántica.
Hablamos, pues, de una tecnología que servirá para usos empresariales, pero también públicos. De ahí que tenga importancia estratégica, y que algunos gobiernos inviertan en su desarrollo. Por ello, en nuestro Bachelor de Informática se proporciona información para que los alumnos puedan acercarse a ella.
2. Uso eficiente de una gran cantidad de datos
La factorización permite utilizar una gran cantidad de datos e interpretarlos de forma eficiente. Si ya el Big Data, gracias a la Inteligencia Artificial, está dando mucho más de sí, con la informática cuántica ascenderá a otro nivel. El principal problema actual es el coste y las condiciones de temperatura que necesitan estos computadores, pero a largo plazo se solucionará.
3. Velocidad mayor
La velocidad de los ordenadores cuánticos puede ser asombrosa en ciertos casos, pero también es cierto que en otros escenarios no logran superar a los sistemas convencionales. Por ejemplo, algoritmos cuánticos como el de Shor para la factorización o los utilizados en simulaciones de sistemas cuánticos muestran una aceleración espectacular en comparación con los métodos clásicos, permitiendo resolver problemas que son inalcanzables con ordenadores tradicionales.
Sin embargo, en tareas que requieren operaciones secuenciales o en aquellas en las que la ventaja de la paralelización cuántica no explota plenamente, los ordenadores convencionales pueden ser más eficientes y rápidos. Además, la sobrecarga asociada al manejo y corrección de errores en sistemas cuánticos puede, en algunos casos, ralentizar el proceso, haciendo que para ciertos problemas la tecnología clásica siga siendo la opción más práctica.
4. Uso conjunto con la Inteligencia Artificial
El uso conjunto con la Inteligencia Artificial, introduciendo nuevos algoritmos, puede maximizar más las posibilidades de la computación cuántica. Precisamente, la superposición hace que, valorando las distintas conexiones indirectas, se pueda movilizar más información y se puedan tomar decisiones en tiempo real.
5. Nuevas posibilidades de seguridad
Las cuestiones de seguridad son uno de los principales desafíos de la informática cuántica, porque con la factorización sería posible superar los actuales sistemas criptográficos de seguridad. No obstante, esa misma vulnerabilidad puede ser, a su vez, una ventaja a la hora de implementar sistemas de seguridad más robustos para la computación tradicional y cuántica.
6. Compatibilidad con distintos lenguajes de programación
Otro de los aspectos prometedores de la informática cuántica es que es compatible con numerosos lenguajes de programación que se están adaptando a sus demandas. Así, la computación cuántica no tiene lenguajes propios. Por ejemplo, la programación cuántica con Phyton es una de las opciones más utilizadas. Otras opciones son el lenguaje de IBM, Qiskit, y el lenguaje de Microsoft, Q#. Lo más probable es que, a medida que se desarrolle la informática cuántica, aparezcan nuevos lenguajes y bibliotecas.
Una proyección de futuro prometedora
En definitiva, la computación cuántica abre un abanico de posibilidades al permitirnos abordar problemas que, hasta ahora, se veían limitados por la capacidad de los ordenadores convencionales.
Por ejemplo, en el campo de la química computacional, la simulación de interacciones moleculares complejas para el desarrollo de nuevos medicamentos o materiales avanzados se vuelve factible; en logística, la optimización de rutas en tiempo real en redes de transporte global podría alcanzar niveles de eficiencia inéditos; y en oncología, el análisis de enormes volúmenes de datos genómicos y la simulación de tratamientos personalizados para el cáncer podrían revolucionar la forma en que se diagnostica y se combate esta enfermedad.
Esta tecnología, al aprovechar la potencia de los qubits y sus procesos simultáneos, promete revolucionar áreas clave de la ciencia y la industria, abriendo el camino a soluciones que hoy parecen inalcanzables.