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¿Cómo funcionan los ordenadores cuánticos?
Una diferencia fundamental entre los ordenadores clásicos y los cuánticos es que los primeros utilizan cúbits en lugar de bits para almacenar exponencialmente más información. Si bien la computación cuántica utiliza código binario, los cúbits procesan la información de manera diferente a los ordenadores clásicos. Pero ¿qué son los cúbits y de dónde provienen?
Cuatro principios clave de la mecánica cuántica
Para comprender la computación cuántica es necesario comprender estos cuatro principios clave de la mecánica cuántica:
- Superposición: La superposición es el estado en el que una partícula o sistema cuántico puede representar no sólo una posibilidad, sino una combinación de múltiples posibilidades.
- Entrelazamiento: El entrelazamiento es el proceso en el cual múltiples partículas cuánticas se correlacionan más fuertemente de lo que permite la probabilidad regular.
- Decoherencia: La decoherencia es el proceso en el cual las partículas y los sistemas cuánticos pueden decaer, colapsar o cambiar, convirtiéndose en estados únicos medibles mediante la física clásica.
- Interferencia: La interferencia es el fenómeno en el cual los estados cuánticos entrelazados pueden interactuar y producir probabilidades más o menos probables.
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.
Computación clásica versus computación cuántica
La computación cuántica se basa en los principios de la mecánica cuántica, que describen cómo las partículas subatómicas se comportan de manera diferente a la física de nivel macro. Pero como la mecánica cuántica proporciona las leyes fundamentales para todo nuestro universo, a nivel subatómico, cada sistema es un sistema cuántico.
Por esta razón, podemos decir que, si bien los ordenadores convencionales también están construidos sobre sistemas cuánticos, no logran aprovechar al máximo las propiedades de la mecánica cuántica durante sus cálculos. Los ordenadores cuánticos aprovechan mejor la mecánica cuántica para realizar cálculos que ni siquiera los ordenadores de alto rendimiento pueden.
¿Qué es una computadora clásica?
Desde las anticuadas sumadoras de tarjetas perforadas hasta las supercomputadoras modernas, las computadoras tradicionales (o clásicas) funcionan básicamente de la misma manera. Estas máquinas generalmente realizan cálculos secuencialmente y almacenan datos mediante bits binarios de información. Cada bit representa un 0 o un 1.
Cuando se combinan en código binario y se manipulan mediante operaciones lógicas, podemos utilizar computadoras para crear todo, desde sistemas operativos simples hasta los cálculos de supercomputación más avanzados.
¿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
- 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.
- Procesa datos con lógica cuántica en instancias paralelas, basándose en la interferencia.
Los procesadores cuánticos
Los procesadores cuánticos no realizan ecuaciones matemáticas de la misma manera que los ordenadores clásicos. A diferencia de los ordenadores clásicos, que deben calcular cada paso de un cálculo complicado, los circuitos cuánticos hechos de cúbits lógicos pueden procesar enormes conjuntos de datos simultáneamente con diferentes operaciones, lo que mejora la eficiencia en muchos órdenes de magnitud para determinados problemas.
Las computadoras cuánticas tienen esta capacidad porque son probabilísticas y encuentran la solución más probable a un problema, mientras que las computadoras tradicionales son deterministas y requieren cálculos laboriosos para determinar un resultado singular específico de cualquier entrada.
Mientras que las computadoras tradicionales suelen brindar respuestas singulares, las máquinas cuánticas probabilísticas suelen brindar rangos de respuestas posibles. Este rango puede hacer que la computación cuántica parezca menos precisa que la computación tradicional; sin embargo, para los tipos de problemas increíblemente complejos que las computadoras cuánticas podrían resolver algún día, esta forma de computación podría potencialmente ahorrar cientos de miles de años de computación tradicional.
Si bien las computadoras cuánticas completamente desarrolladas serían muy superiores a las computadoras clásicas para ciertos tipos de problemas que requieren grandes conjuntos de datos o para resolver otros problemas como la factorización prima avanzada, la computación cuántica no es ideal para todos los problemas, ni siquiera para la mayoría.
En términos realistas, las computadoras clásicas seguirán utilizándose para la mayoría de sus aplicaciones actuales. Sin embargo, ya se están implementando computadoras cuánticas conectadas a la nube o ecosistemas híbridos para explorar una amplia gama de aplicaciones avanzadas. A medida que la computación cuántica siga avanzando, podemos esperar que esta tecnología avanzada no solo impacte en las industrias existentes, sino que también potencialmente abra nuevas industrias.
Las 10 Computadoras Cuánticas Más Destacadas Hasta la Fecha
La computación cuántica ha avanzado significativamente en los últimos años, con diversas empresas y organizaciones desarrollando procesadores cuánticos de alta capacidad. A continuación, se presentan diez de las computadoras cuánticas más destacadas hasta la fecha:
1. IBM Condor
IBM presentó en diciembre de 2023 su procesador cuántico «Condor» con 1,121 qubits, marcando un hito en la capacidad de procesamiento cuántico.
2. IBM Osprey
Predecesor del Condor, el procesador «Osprey» de IBM cuenta con 433 qubits y fue introducido en 2022, demostrando el rápido avance de la compañía en este campo.
3. Google Sycamore
Google desarrolló «Sycamore», un procesador de 53 qubits que en 2019 logró la «supremacía cuántica» al resolver en minutos un problema que a las supercomputadoras tradicionales les tomaría miles de años.
4. Google Bristlecone
«Bristlecone» es otro procesador de Google, con 72 qubits, diseñado para probar y mejorar la corrección de errores en sistemas cuánticos.
5. Rigetti Aspen-M-3
Rigetti Computing desarrolló «Aspen-M-3», un procesador de 80 qubits que utiliza una arquitectura de transmones superconductores para mejorar la coherencia y la fidelidad de las operaciones cuánticas.
6. Quantinuum H2
Quantinuum, resultado de la fusión entre Honeywell Quantum Solutions y Cambridge Quantum, presentó el «H2» con 56 qubits y una conectividad total entre ellos, lo que mejora la eficiencia en la ejecución de algoritmos cuánticos.
7. Zuchongzhi 2.1
Desarrollado por la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, «Zuchongzhi 2.1» es un procesador de 66 qubits que ha demostrado capacidades superiores en ciertas tareas de muestreo cuántico.
8. D-Wave Advantage
D-Wave Systems lanzó «Advantage», un procesador de recocido cuántico con 5,760 qubits, orientado a resolver problemas de optimización combinatoria en diversas industrias.
9. IBM Eagle
«Eagle» es un procesador de 127 qubits presentado por IBM en 2021, destacando por su arquitectura que reduce los errores y mejora la estabilidad de los qubits.
10. Atom Computing Phoenix
Atom Computing desarrolló «Phoenix», un procesador de 100 qubits que utiliza átomos neutros atrapados ópticamente, ofreciendo una alternativa prometedora en la implementación de qubits estables y escalables.
Estos desarrollos reflejan el rápido progreso en la carrera por construir computadoras cuánticas más potentes y funcionales, acercándonos cada vez más a la era de la computación cuántica práctica.
¿Cuándo es superior la computación cuántica?
Para la mayoría de las tareas y desafíos, se espera que las computadoras tradicionales sigan siendo la mejor solución. Pero cuando los científicos e ingenieros se enfrentan a ciertos problemas muy complejos, ahí es donde entra en juego la computación cuántica. Para este tipo de cálculos difíciles, incluso las supercomputadoras más poderosas (grandes máquinas con miles de núcleos y procesadores tradicionales) palidecen en comparación con la potencia de la computación cuántica. Esto se debe a que incluso las supercomputadoras son máquinas basadas en código binario que dependen de la tecnología de transistores del siglo XX. Las computadoras clásicas simplemente son incapaces de procesar problemas tan complejos.
Los problemas complejos son aquellos en los que intervienen muchas variables que interactúan de forma complicada. Modelar el comportamiento de los átomos individuales de una molécula es un problema complejo, debido a que todos los electrones diferentes interactúan entre sí. Identificar nueva física en un supercolisionador también es un problema complejo. Hay algunos problemas complejos que no sabemos cómo resolver con computadoras clásicas a ninguna escala.
Una computadora clásica puede ser excelente para tareas difíciles, como ordenar una gran base de datos de moléculas, pero tiene dificultades para resolver problemas más complejos, como simular cómo se comportan esas moléculas. Hoy, si los científicos quieren saber cómo se comportará una molécula, deben sintetizarla y experimentar con ella en el mundo real. Si quieren saber cómo un pequeño ajuste afectaría su comportamiento, generalmente necesitan sintetizar la nueva versión y ejecutar el experimento nuevamente. Este es un proceso costoso y que requiere mucho tiempo, que impide el progreso en campos tan diversos como la medicina y el diseño de semiconductores.
Una supercomputadora clásica
Una supercomputadora clásica podría intentar simular el comportamiento molecular mediante la fuerza bruta, utilizando sus numerosos procesadores para explorar todas las formas posibles en que podría comportarse cada parte de la molécula. Pero, a medida que avanza más allá de las moléculas más simples y directas disponibles, la supercomputadora se bloquea. Ninguna computadora tiene la memoria de trabajo necesaria para manejar todas las permutaciones posibles del comportamiento molecular mediante el uso de cualquier método conocido.
Los algoritmos cuánticos adoptan un nuevo enfoque para este tipo de problemas complejos: crean espacios computacionales multidimensionales o realizan cálculos que se comportan de manera muy similar a estas moléculas. Esto resulta ser una forma mucho más eficiente de resolver problemas complejos como las simulaciones químicas.
Las empresas de ingeniería, las instituciones financieras y las compañías navieras internacionales, entre otras, están explorando casos de uso en los que las computadoras cuánticas podrían resolver problemas importantes en sus campos. Se vislumbra en el horizonte una explosión de beneficios derivados de la investigación y el desarrollo cuánticos. A medida que el hardware cuántico se escala y los algoritmos cuánticos avanzan, muchos problemas grandes e importantes, como la simulación molecular, deberían encontrar soluciones.
Cómo hacer que las computadoras cuánticas sean más útiles
Hoy, empresas como IBM ponen a disposición de cientos de miles de desarrolladores hardware cuántico real (una herramienta que los científicos apenas empezaron a imaginar hace tres décadas). Los ingenieros están entregando procesadores cuánticos superconductores cada vez más potentes a intervalos regulares, junto con avances cruciales en software y orquestación cuántica-clásica. Este trabajo conduce hacia la velocidad y la capacidad de computación cuántica necesarias para cambiar el mundo.
Ahora que el campo ha alcanzado una utilidad cuántica, los investigadores están trabajando arduamente para hacer que las computadoras cuánticas sean aún más útiles. Los investigadores de IBM Quantum y de otros lugares han identificado algunos desafíos clave para mejorar la utilidad cuántica y potencialmente lograr una ventaja cuántica:
Escalabilidad de los procesadores cuánticos:
si bien los procesadores de cúbits que se utilizan en la computación cuántica tienen el potencial de superar ampliamente a los procesadores basados en bits, los procesadores cuánticos actuales solo pueden admitir una pequeña cantidad de cúbits potenciales. A medida que avance la investigación, IBM planea introducir un sistema cuántico con 200 cúbits lógicos capaces de ejecutar 100 millones de puertas cuánticas para 2029, con el objetivo de tener dos mil cúbits lógicos capaces de ejecutar mil millones de puertas para 2033.
Escalabilidad del hardware cuántico:
aunque son potentes, los qubits también son bastante propensos a errores, lo que requiere grandes sistemas de refrigeración capaces de crear temperaturas inferiores a las del espacio exterior. Los investigadores están desarrollando actualmente formas de escalar los qubits, la electrónica, la infraestructura y el software para reducir el espacio, los costes y el consumo de energía.
Corrección de errores cuánticos:
la decoherencia, el proceso en el que los cúbits no funcionan correctamente y producen resultados inexactos, es un obstáculo importante para cualquier sistema cuántico. La corrección de errores cuánticos requiere que codifiquemos la información cuántica en más cúbits de los que necesitaríamos de otro modo. En 2024, IBM anunció un nuevo código de corrección de errores que es un hito y es aproximadamente diez veces más eficiente que los métodos anteriores. Si bien la corrección de errores no es un problema resuelto, este nuevo código marca un camino claro hacia el funcionamiento de circuitos cuánticos con mil millones de puertas lógicas o más.
Descubrimiento de algoritmos cuánticos:
la ventaja cuántica requiere dos componentes. El primero son circuitos cuánticos viables, y el segundo es un medio para demostrar que esos circuitos cuánticos son realmente la mejor manera de resolver un problema cuántico por encima de cualquier otro método de vanguardia. El descubrimiento de algoritmos cuánticos es lo que llevará a las tecnologías cuánticas actuales de la utilidad cuántica a la ventaja cuántica.
Software y middleware cuántico:
el quid de la cuestión del descubrimiento de algoritmos cuánticos se basa en una pila de software de alto rendimiento y estable para escribir, optimizar y ejecutar programas cuánticos. Qiskit de IBM, de código abierto y basado en Python, es por lejos el SDK cuántico más utilizado en el mundo, útil para ejecuciones tanto en la flota de computadoras cuánticas superconductoras de IBM como en sistemas que utilizan tecnologías alternativas como iones atrapados en campos magnéticos o recocido cuántico.
Supercomputación centrada en lo cuántico:
en el futuro previsible, la computación cuántica funcionará en conjunto con la supercomputación clásica moderna y futura para ser útil. En respuesta, los investigadores cuánticos se están preparando para un mundo en el que las supercomputadoras clásicas puedan usar circuitos cuánticos para ayudar a resolver problemas.
Componentes de la computación cuántica
Un procesador cuántico de IBM es una oblea no mucho más grande que los chips de silicio que se encuentran en una computadora portátil. Sin embargo, los sistemas de hardware cuántico modernos, que se utilizan para mantener los instrumentos a una temperatura ultra baja y los componentes electrónicos adicionales a temperatura ambiente para controlar el sistema y procesar los datos cuánticos, tienen aproximadamente el tamaño de un automóvil promedio.
Si bien el gran tamaño de un sistema de hardware cuántico completo hace que la mayoría de las computadoras cuánticas sean cualquier cosa menos portátiles, los investigadores y los científicos informáticos aún pueden acceder a capacidades de computación cuántica fuera de las instalaciones a través de la computación en la nube. Los principales componentes de hardware de una computadora cuántica son los siguientes:
Procesadores cuánticos
Los chips cuánticos, también conocidos como el plano de datos cuánticos, están compuestos por qubits dispuestos en diversas configuraciones para permitir la comunicación y actúan como el cerebro de la computadora cuántica.
Como componente central de una computadora cuántica, un procesador cuántico contiene los cúbits físicos del sistema y las estructuras necesarias para mantenerlos en su lugar. Las unidades de procesamiento cuántico (QPU) incluyen el chip cuántico, la electrónica de control y el hardware de cómputo clásico necesarios para la entrada y la salida.
Superconductores
Es probable que su computadora de escritorio utilice un ventilador para enfriarse lo suficiente para funcionar. Los procesadores cuánticos necesitan estar muy fríos (alrededor de una centésima de grado por encima del cero absoluto) para minimizar el ruido y evitar la decoherencia para conservar sus estados cuánticos. Esta temperatura ultrabaja se logra con superfluidos superenfriados. A estas temperaturas, ciertos materiales exhiben un importante efecto mecánico cuántico: los electrones se mueven a través de ellos sin resistencia. Este efecto los convierte en superconductores.
Cuando los materiales se convierten en superconductores, sus electrones se alinean y forman pares de Cooper. Estos pares pueden transportar una carga a través de barreras o aislantes mediante un proceso conocido como efecto túnel cuántico. Dos superconductores colocados a cada lado de un aislante forman una unión Josephson, una pieza crucial del hardware de computación cuántica.
Control
Los ordenadores cuánticos utilizan circuitos con condensadores y uniones Josephson como cúbits superconductores. Al disparar fotones de microondas a estos cúbits, podemos controlar su comportamiento y lograr que conserven, modifiquen y lean unidades individuales de información cuántica.
Software cuántico
La investigación continúa mejorando los componentes de hardware cuántico, pero eso es solo la mitad de la ecuación. El quid de la cuestión es que los usuarios descubran las ventajas cuánticas y que la próxima generación de algoritmos cuánticos pueda contar con una pila de software cuántico de alto rendimiento y estable.
En 2024, IBM presentó la primera versión estable del kit de desarrollo de software (SDK) de código abierto Qiskit, Qiskit SDK 1.x. Con más de 600.000 usuarios registrados y 700 universidades de todo el mundo que lo utilizan para desarrollar clases de computación cuántica, Qiskit se ha convertido en la pila de software preferida para la computación cuántica.
Pero Qiskit es más que el software de desarrollo cuántico más popular del mundo para crear y construir circuitos cuánticos. Estamos redefiniendo Qiskit para que represente el software integral para la computación cuántica en IBM, ampliando el SDK de Qiskit con software y servicios de middleware para escribir, optimizar y ejecutar programas en sistemas IBM Quantum, incluidas nuevas herramientas de asistencia de código de IA generativa .
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Álvaro Chirou
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