El término computación cuántica aprovecha la mecánica cuántica para ofrecer mayor potencia de procesamiento, además de adoptar las propiedades de la física cuántica, como la superposición y entrelazamiento. El resultado son avances espectaculares frente a los métodos de programación más tradicionales.
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 esta línea se entiende que la computación cuántica naciera debido a que no se podían modelar los sistemas más sencillos, ni siquiera con la mecánica cuántica, se necesitaba más potencia de computación frente a la que podía proporcionar cualquier equipo del momento.
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La computación cuántica aborda la superposición de la materia y el entrelazamiento cuántico
¿Qué es la computación cuántica? Definición
La computación cuántica es una disciplina informática que utiliza principios de la mecánica cuántica para realizar cálculos a una velocidad potencialmente mucho mayor que las computadoras clásicas. En lugar de utilizar bits tradicionales, emplea cúbits cuánticos, que pueden representar múltiples estados simultáneamente debido a la superposición cuántica. Esto permite abordar problemas complejos de manera más eficiente y realizar cálculos en paralelo, lo que resulta especialmente beneficioso para tareas como la factorización de números grandes o la simulación de sistemas cuánticos, con aplicaciones potenciales en campos como la criptografía y la investigación científica.
La computación cuántica aborda la superposición de la materia y el entrelazamiento cuántico, de este modo da un paso adelante frente a la computación tradicional para almacenar más información y trabajar con algoritmos más eficientes. Lo importante en este caso es que permite realizar un mayor número de operaciones de forma simultánea.
En estos años, se han desarrollado algoritmos cuánticos eficientes para tareas difíciles clásicas: simular sistemas físicos en química, física y ciencia de los materiales, buscar en una base de datos desordenada, resolver sistemas de ecuaciones lineales y aprendizaje automático.
¿Cómo funciona la computación cuántica y para qué sirve?
La computación cuántica se basa en qubits, unidades fundamentales que aprovechan las propiedades de la mecánica cuántica. Estos qubits pueden representar múltiples estados simultáneamente gracias a la superposición y pueden estar entrelazados, lo que permite realizar cálculos en paralelo. La computación cuántica utiliza puertas cuánticas para manipular los qubits y resolver problemas complejos, como la factorización de números grandes o la simulación de sistemas cuánticos, de manera mucho más rápida y eficiente que las computadoras clásicas. Sin embargo, requiere una infraestructura sólida y técnicas de corrección de errores para garantizar la precisión y la fiabilidad de los resultados a medida que se escalan las operaciones cuánticas.
La computación cuántica sirve para resolver problemas complejos de manera más rápida y eficiente que las computadoras clásicas. Sus aplicaciones abarcan desde mejorar la seguridad criptográfica y realizar simulaciones precisas de sistemas cuánticos y moleculares para la investigación científica y el diseño de nuevos materiales, hasta acelerar tareas de optimización y análisis de datos en campos como la inteligencia artificial. Esta tecnología tiene el potencial de transformar industrias y resolver problemas que previamente eran prácticamente insolubles con las computadoras tradicionales, aunque todavía enfrenta desafíos técnicos antes de su adopción generalizada.
¿Qué es un qubit o cúbit cuántico?
El qubit es la unidad básica de información en la computación cuántica, algo similar a lo que representa el bit binario en la informática tradicional. El qubit representa el bit según la mecánica cuántica, y esta incluye el principio de la superposición, lo cual significa que un sistema cuántico puede tener a la vez dos o más estados.
¿Qué es una puerta cuántica?
Una puerta cuántica es un operador matemático que actúa sobre los qubits (bits cuánticos) y realiza transformaciones específicas en su estado cuántico. Estas transformaciones son esenciales para realizar cálculos y operaciones lógicas en una computadora cuántica. Cada puerta cuántica se define mediante una matriz unitaria que describe cómo cambian los estados de los qubits después de aplicar la puerta. Ejemplos de puertas cuánticas incluyen la puerta X (o NOT cuántico), que realiza una inversión del estado de un qubit, y la puerta CNOT (Controlled-NOT cuántico), que permite la entrelazación y manipulación de múltiples qubits simultáneamente. Estas puertas son fundamentales para la construcción de algoritmos cuánticos y para aprovechar las ventajas de la computación cuántica en la resolución de problemas complejos.
¿Qué es un ordenador cuántico y cómo funciona?
Un ordenador cuántico es un tipo de dispositivo informático que utiliza cúbits cuánticos (qubits) y los principios de la mecánica cuántica para realizar cálculos de manera significativamente más rápida y eficiente que las computadoras clásicas en ciertas aplicaciones.
El ordenador cuántico aumenta la potencia de procesamiento a partir de aplicar las leyes de la mecánica cuántica, para lo cual tiene la capacidad de trabajar con el bit cuántico o qubit, que pueden estar en estados superpuestos.
Las ventajas que ofrece es una mayor potencia de cálculo, capacidad de memoria y menor consumo de energía.
Diferencias entre la computación cuántica y la tradicional
La computación cuántica está en auge. Hay muchos casos prácticos en los que los algoritmos y las tecnologías cuánticas son mejores que el ordenador clásico. Sin embargo, aún no se han logrado cálculos lo suficientemente grandes como para demostrar la supremacía cuántica.
La principal diferencia al adentrarnos en el mundo cuántico es que se usan unidades diferentes de información: bit frente al qubit
La principal diferencia al adentrarnos en el mundo cuántico es que se usan unidades diferentes de información: bit frente al qubit. El bit solo puede ser 1 o 0, mientras que el qubit tiene la capacidad de superposición, lo que significa que puede ser 1 o 0, pero también 1 y 0 al mismo tiempo. Con ello, se entiende que la computación cuántica tenga la capacidad de llevar a cabo procesos tan complejos que a la computación clásica le llevaría años.
Por otro lado, el computador cuántico no tiene procesador ni lenguaje cuántico, se basa sobre todo en algoritmos. Hay que tener en cuenta entre sus ventajas la reducción de consumo de energía de los ordenadores cuánticos con relación a los sistemas tradicionales.
Un escenario de convivencia y colaboración es más probable que la supremacía de la computación cuántica sobre la convencional a corto plazo.
¿Qué soportes físicos necesita?
Es complicado conocer el número de computadores cuánticos que existen hoy en día en todo el mundo. Estos sistemas se manejan con qubits y han de ser escalables, de forma que se incremente el número de estos y así, a su vez, poder resolver problemas más complejos. Son ordenadores con un chip con sus qubits y dispositivos electrónicos en miniatura que deben tener una temperatura inferior a los 273º C. Físicos cuánticos, ingenieros y programadores trabajan en el desarrollo del hardware; mientras que físicos, científicos y matemáticos desarrollan las aplicaciones.
La potencia de cálculo se basa en la cantidad de qubits que son capaces de manejar. El mayor hito proviene de la empresa QuEra Computing, al crear un ordenador de 256 qubits que supera las capacidades que ofrecen IBM y Google.
Programas de computación cuántica
Los algoritmos analizan los datos y ofrecen simulaciones, al tiempo que determinan la programación de la computación cuántica. El lenguaje que más se utiliza es Python.
Algunos de estos programas son:
- Cirq, un lenguaje cuántico en código abierto en Python desarrollado por Google.
- La plataforma IBM Quantum Experience, que engloba IBM Quantum Composer e IBM Quantum Lab para el acceso a los servicios de computación cuántica basados en la nube de IBM Quantum.
- Microsoft Quantum Development Kit, un lenguaje de programación denominado Q# que se integra con su entorno de desarrollo Visual Studio.
- Rigetti Forest, con su plataforma de computación en la nube Quantum Cloud Services (QCS).
- ProjectQ, un marco de software de código abierto para computación cuántica.
- Laboratorio de Computación Cuántica CAS-Alibaba. Centro de investigación ubicado en Shangai
- PennyLane. Software de Xanadu para programar computadoras cuánticas.
- Strawberry Fields. Biblioteca de Python para diseñar circuitos ópticos cuánticos.
- Intel Quantum Simulator (Intel-QS), simulador de circuitos cuánticos.
Principales aplicaciones de la computación cuántica
Que la computación cuántica va a cambiar el desarrollo de procesos en multitud de campos es un hecho. Algunas tecnologías cuánticas funcionales hoy en día ya son efectivas para resolver ciertos problemas altamente complejos. La computación cuántica se perfila como un camino prometedor en diversos campos de trabajo como la simulación de sistemas químicos, el aprendizaje automático, la gestión del tráfico de las ciudades, entre otros.
Abre un abanico de probabilidades amplísimo y trae nuevas vías para la investigación en casi cualquier industria, aunque se pueden destacar campos como el farmacéutico, medicina, aeronáutica, transporte, ciberseguridad e incluso las finanzas, donde un algoritmo cuántico podrá predecir la evolución o riesgo en bolsa. Y, sin duda, ayudará a desarrollar la inteligencia artificial. Su potencial se irá observando durante los próximos años para investigaciones que necesiten de cálculos interminables; el objetivo será ejecutar tareas que actualmente se demoran en el tiempo.
El impacto de la computación cuántica en la ciberseguridad
Precisamente, el papel que juega una computadora cuántica en la predicción y probabilidades y en encontrar soluciones a problemas complejos conlleva que las técnicas de cifrado sean más vulnerables, como los algoritmos criptográficos utilizados en la criptografía de clave pública. Esto significa que para una computadora cuántica será coser y cantar descifrar la criptografía actual.
Se deben diseñar algoritmos que protejan las comunicaciones y los datos de los futuros ataques cuánticos
De forma inmediata se deben diseñar nuevos algoritmos que protejan las comunicaciones y los datos de los futuros ataques cuánticos. La criptografía cuántica significará garantizar la seguridad informática: privacidad, integridad, autenticidad y confidencialidad de los datos.
Computación cuántica en la nube, ventajas
La computación cuántica en la nube ofrece ventajas esenciales, ya que permite a individuos y organizaciones aprovechar la potencia de la computación cuántica sin la inversión inicial en hardware especializado. Esto facilita la exploración de aplicaciones cuánticas y el desarrollo de algoritmos sin las limitaciones económicas y técnicas de la adquisición y gestión de infraestructura propia. Además, la escalabilidad y flexibilidad inherentes a los servicios en la nube permiten adaptarse a las necesidades cambiantes, lo que es esencial en un campo que evoluciona rápidamente, al tiempo que fomenta la colaboración y la investigación en la comunidad científica y empresarial.
Limitaciones actuales de la computación cuántica
Si la computación cuántica podrá realizar tareas imposibles para la computación tradicional, también es cierto, que a nivel de algoritmo sus limitaciones serán similares a las de los ordenadores actuales. En cualquier caso, son técnicamente complejos, ya que funcionan en periodos cortos de tiempo, teniendo en cuenta que los átomos deben estar sin movimiento para no colisionar con el entorno, lo que requiere estar a muy bajas temperaturas. A esto se llama ruidos y, como resultado, los qubits podrían caerse de su estado de superposición sin realizar completamente su cometido.
¿Existirán los móviles cuánticos?
Ya se habla desde hace tiempo de que el procesador cuántico se va a extender al mundo tecnológico. La característica especial que dotan estos procesadores es su mayor seguridad. Su aplicación en movilidad implica que el chip cuántico va desarrollando números aleatorios y, al ser impredecible por no seguir ningún patrón, existe mucha más seguridad en todas las operaciones que realice el teléfono móvil frente a los ciberataques.
Nuevas profesiones: programación en la computadora cuántica
Nos encontramos en la era cuántica. Esta realidad hace que surjan nuevas profesiones ligadas a una tendencia imparable. Matemáticos, físicos e ingenieros cuánticos, y profesiones relacionados con la tecnología. Sin olvidar otras ramas que irán apareciendo, lideradas por los desarrolladores de software cuántico. Programación y métodos de algoritmos serán indispensables como complemento a los fundamentos de la computación.
Cuestiones éticas de la computación cuántica
La computación cuántica plantea varias cuestiones éticas a medida que avanza su desarrollo. Una de las principales preocupaciones es la seguridad informática, ya que las computadoras cuánticas podrían romper fácilmente los sistemas de encriptación actuales, lo que podría tener implicaciones graves para la privacidad y la seguridad de datos. Además, existe una creciente preocupación sobre la posibilidad de utilizar la computación cuántica para resolver problemas complejos, como la simulación de moléculas y compuestos químicos, lo que podría tener aplicaciones tanto beneficiosas como potencialmente dañinas, como la creación de armas químicas más efectivas. Esto plantea la necesidad de regulaciones éticas y salvaguardias para garantizar un uso responsable de la tecnología cuántica y minimizar sus posibles riesgos.
