Qué es la computación cuántica y para qué sirve, y qué son los ordenadores cuánticos, son interrogantes que surgen ante el protagonismo que está adquiriendo esta tecnología.
Es un campo que aborda cuestiones relacionadas con un campo que aúna materias como la ciencia de la computación, la física y las matemáticas.
En este artículo, abordamos también la importancia de la computación cuántica hoy en día, dónde se utilizan los ordenadores cuánticos, sus ventajas y cuál es su futuro.
Índice de temas
¿Qué es la computación cuántica?
La computación cuántica es una disciplina de la informática.
Utiliza los principios de la mecánica cuántica para realizar cálculos y resolver los problemas de una manera mucho más eficiente que los ordenadores clásicos que usamos en la actualidad de manera general.
Esta tecnología tiene la particularidad de que usa cúbits (también se puede encontrar escrito como qubits), que permiten realizar de manera simultánea diferentes estados gracias a la superposición cuántica.
¿Qué es un cúbit?
Un cúbit es la unidad básica de información de la mecánica cuántica. Equivale al bit en la informática tradicional.
El bit solo puede ser 0 o 1, pero un cúbit puede existir, a la vez, en dos estados (0 y 1), permitiendo la superposición cuántica de los estados.
Esto implica diferentes ventajas con respecto a la informática tradicional: permite procesar la información exponencialmente más rápido que los bits clásicos.
El cúbit permite procesar la información exponencialmente más rápido que los bits clásicos
Por ejemplo, 500 cúbits pueden representar información que requerirían más de 2^500 bits clásicos. Los cúbits son esenciales para resolver problemas muy completos en áreas como la criptografía, la medicina o la inteligencia artificial.
Ventajas de la computación cuántica
La ventaja más notable de la computación cuántica y los ordenadores cuánticos es su mayor potencia de cálculo para problemas específicos, como la factorización de números grandes o la simulación de sistemas moleculares complejos.
La capacidad de memoria es otra de las ventajas significativas de este tipo de ordenadores.
Los estados cuánticos permiten almacenar y procesar grandes cantidades de información, así como un menor consumo de energía en comparación con los actuales superordenadores.
¿Qué es un ordenador cuántico y cómo funciona?
Un ordenador cuántico es aquel que utiliza los principios de la mecánica cuántica para realizar cálculos y procesar la información de manera más eficiente que los ordenadores clásicos.
Los ordenadores cuánticos, en lugar de bits, utilizan cúbits como unidad de información.
El funcionamiento de un ordenador cuántico se basa en diferentes principios clave:
Un ordenador cuántico es aquel que utiliza los principios de la mecánica cuántica para realizar cálculos y procesar la información de manera más eficiente que los ordenadores clásicos
- La superposición: los cúbits pueden representar 0, 1 o los dos estados a la vez, lo que permite realizar varios cálculos simultáneamente.
- Entrelazamiento cuántico: los cúbits pueden estar interconectados, lo que aumenta exponencialmente la capacidad de procesamiento.
- Interferencia cuántica: ayuda a controlar los estados cuánticos y aumentar la posibilidad de obtener las respuestas correctas.
Componentes de un ordenador cuántico
Un ordenador cuántico cuenta con componentes que difieren de los ordenadores clásicos. Los componentes esenciales son:
- Plano de datos cuánticos: es el núcleo de un ordenador cuántico y contiene un procesador cuántico compuesto por cúbits.
- Sistemas de aislamiento y control: para mantener los estados cuánticos estables se requieren sistemas de refrigeración, y para ello se usa helio líquido, alcanzando temperaturas cercanas al cero absoluto; sistemas de alto vacío, para aislar los cúbits del entorno y blindaje electromagnético, para proteger contra interferencias del exterior.
- Plano de control y medida: un componente que se encarga de convertir las señales digitales en analógicas para un mayor control de los cúbits y de realizar operaciones en los cúbits mediante señales de microondas.
- Plano del procesador de control y procesador host: para controlar los sistemas de aislamiento y realizar cálculos auxiliares, además de programar y ejecutar algoritmos cuánticos.
- Infraestructura de soporte: consta de cables y conectores coaxiales para transmitir señales de microondas a los cúbits, y de tuberías para refrigerantes, que posibilitan la circulación de helio y nitrógeno líquidos.
Por último, hay que apuntar que, a diferencia de los ordenadores clásicos, los ordenadores cuánticos carecen de memoria RAM, disco duro o tarjeta gráfica en el sentido tradicional.
Su estructura está optimizada para realizar cálculos cuánticos específicos y mantener los estados cuánticos coherentes.
Dónde se utilizan los ordenadores cuánticos
Los ordenadores cuánticos ya se están utilizando en diferentes áreas, aunque su aplicación aún se encuentra en una fase temprana. Algunas áreas donde se están empleando actualmente incluyen:
- Optimización logística: las empresas de transporte y distribución hacen uso de la computación cuántica para hacer más efectivas sus rutas de transporte, ahorrando así tiempo y costos. Por ejemplo, se aplica en la planificación de rutas aéreas y en la gestión de taxis y vehículos VTC. En este sentido, el Puerto de Hamburgo implementó el proyecto MOZART, que optimizó el tráfico de 20.000 camiones al día.
- Simulaciones químicas: en la industria farmacéutica, se utiliza la computación cuántica para simular interacciones moleculares y reacciones químicas para el desarrollo de nuevos fármacos. POLARISqb utilizó la tecnología Tachyon, basada en infraestructura cuántica de D’Wave, para poder desarrollar medicamentos en menos tiempo y a un menor coste.
- Sector financiero: análisis de tendencias del mercado, simulación de sistemas financieros, optimización de carteras de inversión… También se está utilizando para predecir crisis financieras.
- Modelación climática: Para anticiparse a catástrofes meteorológicas o predecir patrones climáticos, los científicos usan la computación cuántica para crear modelos climáticos complejos.
- Inteligencia artificial: en estos momentos se encuentra el desarrollo de la ‘inteligencia artificial cuántica’, que supondrá un avance significativo en el aprendizaje automático y el procesamiento de datos muy complejos.
Tipos de tecnología cuántica
Existen diferentes tipos de tecnología cuántica, cada uno de ellos con diferentes aplicaciones específicas. Veamos cuáles son los más relevantes.
Computación cuántica digital
Este es el tipo de computación cuántica más conocido y utiliza circuitos cuánticos para realizar cálculos complejos.
Sus aplicaciones abarcan desde el análisis de grandes cantidades de datos hasta la inteligencia artificial cuántica, la simulación de sistemas tanto cuánticos como tradicionales, y la criptografía.
Computación cuántica adiabática
La computación cuántica adiabática emplea dispositivos denominados ‘quantum annealers’ que realizan un proceso de recocido cuántico, una técnica de computación especializada en resolver problemas de optimización complejos.
La ‘tunelización cuántica’ permite ‘atravesar’ barreras energéticas en lugar de tener que ‘saltarlas’, acelerando el proceso de búsqueda de soluciones óptimas
Una característica clave del recocido cuántico es su capacidad para utilizar el fenómeno conocido como ‘tunelización cuántica’.
Este permite ‘atravesar’ barreras energéticas en lugar de tener que ‘saltarlas’, acelerando el proceso de búsqueda de soluciones óptimas.
Distribución cuántica de claves (QKD)
Esta tecnología permite el envío seguro de claves criptográficas a través de canales cuánticos, aprovechando el teorema de no clonación.
Dicho teorema afirma que no existe ningún procedimiento que permita duplicar perfectamente el estado cuántico de un sistema a otro sistema idéntico.
Esto contrasta directamente con la información clásica, donde es posible clonar la información sin alterar los datos originales.
Las aplicaciones de la distribución cuántica de claves se centran en mejorar la seguridad de los sistemas criptográficos y la protección de infraestructuras críticas.
Un ejemplo de infraestructura crítica es el sistema energético, específicamente las plantas de generación eléctrica y las redes de distribución de electricidad, fundamentales para el funcionamiento de nuestra sociedad.
Sensórica cuántica
La extrema sensibilidad de los sistemas cuánticos encuentra en la sensórica cuántica una de sus grandes aplicaciones, creando sensores de alta precisión.
Esta tecnología encuentra aplicaciones tanto en experimentos de física relevantes como en aplicaciones industriales que requieren de niveles excepcionales de precisión.
Algunos ejemplos de sensórica cuántica incluyen relojes atómicos, fundamentales para sistemas GPS, magnetómetros cuánticos, capaces de detectar campos electromagnéticos extremadamente débiles, gravímetros cuánticos, que miden variaciones minúsculas en el campo gravitatorio terrestre, o sensores cuánticos de campo eléctrico, que detectan variaciones mínimas en campos eléctricos, con aplicaciones en diagnóstico médico, entre otras.
El futuro de la computación cuántica
El futuro de la computación cuántica se presenta como una auténtica revolución tecnológica que transformará diferentes campos durante la próxima década.
Durante el año pasado, la ONU nombró 2025 como el Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuántica gracias a la iniciativa Quantum 2025, firmada por unas 300 organizaciones.
A través de esta iniciativa se espera que la computación cuántica desarrolle tanto hardware como software, además de la creación de nuevo talento.
Para 2030 se espera que la ingeniería cuántica se implemente como una nueva disciplina académica, que se introduzcan conceptos cuánticos en el sistema educativo, que las empresas utilicen las tecnologías cuánticas de manera generalizada y que unos 5.000 ordenadores cuánticos estén ya operativos.
Más allá de 2025 se espera alcanzar lo que se viene a llamar ‘ventaja cuántica’, en la que los ordenadores cuánticos superen a los tradicionales en amplios campos de aplicación.
Más allá de 2025 se espera alcanzar lo que se viene a llamar ‘ventaja cuántica’, en la que los ordenadores cuánticos superen a los tradicionales en amplios campos de aplicación
Esto podría suponer toda una revolución dentro de áreas como la criptografía y la ciberseguridad, las simulaciones moleculares para el desarrollo de nuevos y más potentes fármacos, la optimización de procesos logísticos y financieros, y la mejora de algoritmos de IA y aprendizaje automático.
Sin embargo, aún queda mucho camino por recorrer.
Para poner en contexto el reto al que se enfrenta la computación cuántica: para realizar grandes cálculos tolerantes a errores, se necesitan entre 100.000 y un millón de cúbits, algo que aún está lejos de lograrse.
Así, compañías como Google se encuentran trabajando en proyectos como la construcción de un ordenador cuántico de un millón de cúbits.
En definitiva, la computación cuántica aún se encuentra en su fase más temprana y se espera que en las próximas décadas experimente un crecimiento exponencial, con aplicaciones que revolucionarían múltiples industrias y campos científicos.
