¿Qué es la computación cuántica?

por | Mar 4, 2025 | Seguridad Informática | 0 Comentarios

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¿Qué es la computación cuántica?

La computación cuántica es un campo emergente de la informática de vanguardia que aprovecha las cualidades únicas de la mecánica cuántica para resolver problemas que van más allá de la capacidad incluso de las computadoras clásicas más potentes.

El campo de la computación cuántica comprende una variedad de disciplinas, entre ellas el hardware cuántico y los algoritmos cuánticos. Aunque todavía se encuentra en desarrollo, la tecnología cuántica pronto podrá resolver problemas complejos que las supercomputadoras no pueden resolver o no pueden hacerlo con la suficiente rapidez.

Aprovechando la física cuántica, las computadoras cuánticas plenamente desarrolladas podrían procesar problemas enormemente complejos a órdenes de magnitud más rápido que las máquinas modernas. Para una computadora cuántica, los desafíos que a una computadora clásica le llevarían miles de años resolver podrían reducirse a una cuestión de minutos.

El estudio de las partículas subatómicas, también conocido como mecánica cuántica, revela principios naturales únicos y fundamentales. Las computadoras cuánticas aprovechan estos fenómenos fundamentales para realizar cálculos probabilísticos y mecánico-cuánticos.

Qubits

Mientras que las computadoras clásicas dependen de bits binarios (ceros y unos) para almacenar y procesar datos, las computadoras cuánticas pueden codificar incluso más datos a la vez utilizando bits cuánticos, o qubits , en superposición.

Un qubit puede comportarse como un bit y almacenar un cero o un uno, pero también puede ser una combinación ponderada de cero y uno al mismo tiempo. Cuando se combinan, los qubits en superposición pueden escalar exponencialmente. Dos qubits pueden calcular con cuatro datos, tres pueden calcular con ocho y cuatro pueden calcular con dieciséis.

Sin embargo, cada cúbit solo puede generar un único bit de información al final del cálculo. Los algoritmos cuánticos funcionan almacenando y manipulando información de una manera inaccesible para las computadoras clásicas, lo que puede proporcionar velocidades de procesamiento más rápidas para ciertos problemas.

A medida que el desarrollo de chips de silicio y superconductores ha ido aumentando a lo largo de los años, es muy posible que pronto lleguemos a un límite material en la capacidad de procesamiento de las computadoras clásicas. La computación cuántica podría proporcionar una vía para resolver ciertos problemas importantes.

Con instituciones líderes como IBM, Microsoft, Google y Amazon uniéndose a nuevas empresas ansiosas como Rigetti e Ionq para invertir fuertemente en esta nueva y emocionante tecnología, se estima que la computación cuántica se convertirá en una industria de USD 1,3 billones para 2035.

Entonces, ¿qué son los qubits?

En general, los qubits se crean manipulando y midiendo partículas cuánticas (los bloques de construcción más pequeños conocidos del universo físico), como fotones, electrones, iones atrapados y átomos. Los qubits también pueden diseñar sistemas que se comporten como una partícula cuántica, como en los circuitos superconductores.

Para manipular dichas partículas, los qubits deben mantenerse extremadamente fríos para minimizar el ruido y evitar que proporcionen resultados inexactos o errores resultantes de una decoherencia involuntaria.

En la actualidad, se utilizan muchos tipos distintos de cúbits en la computación cuántica, y algunos son más adecuados para distintos tipos de tareas.

Tipos de cúbits

Algunos de los tipos de cúbits más comunes que se utilizan son los siguientes:

  • Cubits superconductores: fabricados con materiales superconductores que funcionan a temperaturas extremadamente bajas, estos cubits son los preferidos por su velocidad a la hora de realizar cálculos y su control preciso.
  • Cúbits de iones atrapados: las partículas de iones atrapados también se pueden utilizar como cúbits y se destacan por sus largos tiempos de coherencia y mediciones de alta fidelidad.
  • Puntos cuánticos: Los puntos cuánticos son pequeños semiconductores que capturan un solo electrón y lo utilizan como un qubit, lo que ofrece un potencial prometedor de escalabilidad y compatibilidad con la tecnología de semiconductores existente.
  • Fotones: Los fotones son partículas de luz individuales que se utilizan para enviar información cuántica a largas distancias mediante cables de fibra óptica y actualmente se utilizan en la comunicación cuántica y la criptografía cuántica .
  • Átomos neutros: Los átomos neutros que se encuentran comúnmente y que se cargan con láseres son muy adecuados para escalar y realizar operaciones.

Al procesar un problema complejo, como factorizar números grandes, los bits clásicos se unen al contener grandes cantidades de información. Los bits cuánticos se comportan de manera diferente. Debido a que los cúbits pueden contener una superposición, una computadora cuántica que usa cúbits puede abordar el problema de maneras diferentes a las computadoras clásicas.

Una analogía útil

Como analogía útil para entender cómo las computadoras cuánticas utilizan los cúbits para resolver problemas complicados, imagine que está en el centro de un laberinto complicado. Para escapar del laberinto, una computadora tradicional tendría que resolver el problema mediante la “fuerza bruta”, probando todas las combinaciones posibles de caminos para encontrar la salida. Este tipo de computadora utilizaría bits para explorar nuevos caminos y recordar cuáles son callejones sin salida.

En comparación, una computadora cuántica podría obtener una vista aérea del laberinto, probando múltiples caminos simultáneamente y utilizando interferencia cuántica para revelar la solución correcta. Sin embargo, los qubits no prueban múltiples caminos a la vez; en cambio, las computadoras cuánticas miden las amplitudes de probabilidad de los qubits para determinar un resultado. Estas amplitudes funcionan como ondas, superponiéndose e interfiriendo entre sí. Cuando las ondas asincrónicas se superponen, eliminan de manera efectiva las posibles soluciones a problemas complejos, y la onda o las ondas coherentes obtenidas presentan la solución.

Principios clave de la computación cuántica

Cuando se habla de ordenadores cuánticos, es importante entender que la mecánica cuántica no es como la física tradicional. Los comportamientos de las partículas cuánticas a menudo parecen extraños, contraintuitivos o incluso imposibles. Sin embargo, las leyes de la mecánica cuántica dictan el orden del mundo natural.

Describir el comportamiento de las partículas cuánticas presenta un desafío singular. La mayoría de los paradigmas de sentido común para el mundo natural carecen del vocabulario necesario para comunicar los sorprendentes comportamientos de las partículas cuánticas.

Para comprender la computación cuántica, es importante comprender algunos términos clave:

  • Superposición
  • Enredo
  • Decoherencia
  • Interferencia.

Superposición

Un qubit en sí no es muy útil, pero puede colocar la información cuántica que contiene en un estado de superposición, que representa una combinación de todas las configuraciones posibles del qubit. Los grupos de qubits en superposición pueden crear espacios computacionales complejos y multidimensionales. Los problemas complejos se pueden representar de nuevas maneras en estos espacios.

Esta superposición de qubits otorga a las computadoras cuánticas su paralelismo inherente, permitiéndoles procesar muchas entradas simultáneamente.

Enredo

El entrelazamiento es la capacidad de los cúbits de correlacionar su estado con el de otros cúbits. Los sistemas entrelazados están tan intrínsecamente vinculados que, cuando los procesadores cuánticos miden un único cúbit entrelazado, pueden determinar inmediatamente información sobre los demás cúbits del sistema entrelazado.

Cuando se mide un sistema cuántico, su estado colapsa desde una superposición de posibilidades a un estado binario, que puede registrarse como un código binario como un cero o un uno.

Decoherencia

La decoherencia es el proceso por el cual un sistema en estado cuántico colapsa a un estado no cuántico. Puede ser provocada intencionalmente por la medición de un sistema cuántico o por otros factores ambientales (a veces, estos factores la desencadenan de manera involuntaria). La decoherencia permite que las computadoras cuánticas proporcionen mediciones e interactúen con las computadoras clásicas.

Interferencia

Un entorno de cúbits entrelazados colocados en un estado de superposición colectiva estructura la información de una manera que parece ondas, con amplitudes asociadas a cada resultado. Estas amplitudes se convierten en las probabilidades de los resultados de una medición del sistema. Estas ondas pueden acumularse unas sobre otras cuando muchas de ellas alcanzan un máximo en un resultado particular, o cancelarse entre sí cuando los picos y los valles interactúan. Amplificar una probabilidad o cancelar otras son ambas formas de interferencia.

Cómo funcionan juntos los principios

Para entender mejor la computación cuántica, hay dos ideas contraintuitivas que pueden ser ciertas. La primera es que los objetos que se pueden medir (los cúbits superpuestos con amplitudes de probabilidad definidas) se comportan de manera aleatoria. La segunda es que los objetos demasiado distantes como para influirse entre sí (los cúbits entrelazados) pueden comportarse de maneras que, aunque individualmente sean aleatorias, de alguna manera están fuertemente correlacionadas.

Un cálculo en un ordenador cuántico funciona preparando una superposición de estados computacionales. Un circuito cuántico, preparado por el usuario, utiliza operaciones para generar entrelazamiento, lo que genera interferencias entre estos diferentes estados, tal como lo determina un algoritmo. Muchos resultados posibles se cancelan mediante interferencias, mientras que otros se amplifican. Los resultados amplificados son las soluciones del cálculo.

¿Qué es una computadora cuántica?

Los ordenadores cuánticos funcionan de forma similar a los ordenadores clásicos, pero en lugar de bits, la computación cuántica utiliza qubits. Estos qubits son sistemas especiales que actúan como partículas subatómicas hechas de átomos, circuitos eléctricos superconductores u otros sistemas que contienen datos en un conjunto de amplitudes aplicadas tanto a 0 como a 1, en lugar de solo a dos estados (0 o 1). Este complicado concepto mecánico cuántico se denomina superposición. A través de un proceso llamado entrelazamiento cuántico, esas amplitudes pueden aplicarse a múltiples qubits simultáneamente.

La diferencia entre la computación cuántica y la clásica

Computación clásica

  • Utilizado por computadoras y dispositivos comunes y multipropósito.
  • Almacena información en bits con un número discreto de estados posibles, 0 o 1.
  • Procesa datos de forma lógica y secuencial.

Computación cuántica

Procesa datos con lógica cuántica en instancias paralelas, basándose en la interferencia.

Utilizado por hardware cuántico especializado y experimental basado en mecánica cuántica.

Almacena información en qubits como 0, 1 o una superposición de 0 y 1.

Casos de uso de la computación cuántica

La primera teoría se formuló a principios de los años 1980 y no fue hasta 1994 cuando el matemático del MIT Peter Shor publicó una de las primeras aplicaciones prácticas en el mundo real de una máquina cuántica. El algoritmo de Shor para la factorización de números enteros demostró cómo una computadora mecánica cuántica podría potencialmente romper los sistemas de criptografía más avanzados de la época, algunos de los cuales todavía se utilizan hoy en día. Los hallazgos de Shor demostraron una aplicación viable para los sistemas cuánticos, con implicaciones dramáticas no solo para la ciberseguridad , sino para muchos otros campos.

Las computadoras cuánticas son excelentes para resolver ciertos problemas complejos y tienen el potencial de acelerar el procesamiento de conjuntos de datos a gran escala. Desde el desarrollo de nuevos medicamentos y la ejecución de aprendizaje automático de una nueva manera hasta la optimización de la cadena de suministro y  los desafíos del cambio climático , la computación cuántica podría ser la clave para lograr avances en una serie de industrias críticas.Productos farmacéuticos

Las computadoras cuánticas

Las computadoras cuánticas capaces de simular el comportamiento molecular y las reacciones bioquímicas podrían acelerar enormemente la investigación y el desarrollo de nuevos medicamentos y tratamientos médicos que salven vidas.

Por las mismas razones que las computadoras cuánticas podrían tener un impacto en la investigación médica, también podrían proporcionar soluciones aún no descubiertas para mitigar los subproductos químicos peligrosos o destructivos. La computación cuántica podría conducir a mejores catalizadores que permitan alternativas petroquímicas o mejores procesos para la descomposición del carbono necesarios para combatir las emisiones que amenazan el clima.Aprendizaje automático

A medida que aumenta el interés y la inversión en inteligencia artificial (IA) y campos relacionados, como el aprendizaje automático, los investigadores están llevando los modelos de IA a nuevos extremos, poniendo a prueba los límites de nuestro hardware existente y exigiendo un enorme consumo de energía. Hay evidencia de que algunos algoritmos cuánticos podrían ser capaces de analizar los conjuntos de datos de una manera nueva, lo que proporcionaría una aceleración para algunos problemas de aprendizaje automático.

Ventaja cuántica versus utilidad cuántica

Aunque ya no es una mera teoría, la computación cuántica todavía se encuentra en desarrollo. Mientras los científicos de todo el mundo se esfuerzan por descubrir nuevas técnicas para mejorar la velocidad, la potencia y la eficiencia de las máquinas cuánticas, la tecnología se acerca a un punto de inflexión. Entendemos la evolución de la computación cuántica útil utilizando los conceptos de ventaja cuántica y utilidad cuántica.

Utilidad cuántica

La utilidad cuántica se refiere a cualquier cálculo cuántico que proporcione soluciones fiables y precisas a problemas que están más allá del alcance de los simuladores de máquinas cuánticas de cálculo clásico de fuerza bruta. Anteriormente, estos problemas solo eran accesibles a los métodos de aproximación clásicos, generalmente métodos de aproximación específicos para el problema, cuidadosamente diseñados para explotar las estructuras únicas de un problema determinado.

Ventaja cuántica

En términos generales, el término ventaja cuántica se refiere a una computadora cuántica hipotética capaz de superar a todos los métodos de supercomputación clásicos para resolver algún problema, incluso métodos aproximados. Una computadora cuántica capaz de lograr la ventaja cuántica debería poder ofrecer un beneficio práctico significativo que vaya más allá de todos los métodos de computación clásicos conocidos: calcular soluciones de una manera más barata, más rápida o más precisa que cualquier alternativa clásica disponible.

Puntos de referencia cuánticos

Los investigadores afirman que la computación cuántica ofrece ahora una alternativa viable a la aproximación clásica para determinados problemas, por lo que es una herramienta útil para la exploración científica o que tiene utilidad. La utilidad cuántica no constituye una afirmación de que los métodos cuánticos han logrado una aceleración demostrada con respecto a todos los métodos clásicos conocidos. Esta es una diferencia clave con el concepto de ventaja cuántica.

En 2019, los principales investigadores del equipo IBM Quantum inventaron una métrica conocida como volumen cuántico para asignar una medida singular y calculable de la capacidad de una computadora cuántica.

El volumen cuántico mide el circuito cuántico más grande que puede pasar una prueba de volumen cuántico. La prueba de volumen cuántico le pide al computador cuántico que ejecute un circuito con puertas aleatorias y mide la frecuencia con la que los circuitos producen los resultados esperados. Sin embargo, a medida que continuamos ampliando la escala de los procesadores cuánticos, se está volviendo claro que necesitamos más que solo volumen cuántico para encapsular completamente el rendimiento de los computadores cuánticos a escala de servicios públicos.

Si bien el volumen cuántico sigue siendo una de las pocas formas en que podemos medir errores dentro de un sistema cuántico, el equipo de IBM introdujo dos métricas adicionales para evaluar mejor las computadoras cuánticas: la fidelidad de capa y las operaciones de capa de circuito por segundo (CLOPS) .

Fidelidad de capas

La fidelidad de capas es un parámetro de referencia extremadamente valioso que proporciona una forma de encapsular la capacidad de todo el procesador cuántico para ejecutar circuitos y, al mismo tiempo, revelar información sobre cúbits individuales, puertas y diafonía. Al ejecutar el protocolo de fidelidad de capas, los investigadores pueden calificar el dispositivo cuántico en su conjunto y, al mismo tiempo, obtener acceso a información granular sobre el rendimiento y los errores de los componentes individuales.

Velocidad de procesamiento cuántico

Además de la fidelidad de las capas, IBM también definió una métrica de velocidad, las operaciones de capa de circuito por segundo (CLOPS) . Actualmente, CLOPS es una medida de la rapidez con la que nuestros procesadores pueden ejecutar circuitos de volumen cuántico en serie, actuando como una medida de la velocidad del sistema holístico que incorpora la computación cuántica y clásica.

Juntos, la fidelidad de capas y CLOPS brindan una nueva forma de evaluar los sistemas de manera comparativa que es más significativa para quienes intentan mejorar y usar nuestro hardware. Estas métricas facilitarán la comparación de los sistemas entre sí, la comparación de nuestros sistemas con otras arquitecturas y la reflexión de las mejoras de rendimiento en todas las escalas.

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