Enormes avances en computación: Computación cuántica.

Desde que apareció el primer ordenador ya hace más de 100 años, se han conseguido enormes avances en ese campo, tanto que ahora en cualquier teléfono móvil tenemos miles de veces más capacidad de almacenamiento y de velocidad de proceso que aquel centenario ordenador.

No voy a abundar mas en esa enorme evolución que cualquiera ya conoce y no por ello deja de asombrarnos. La capacidad de almacenamiento de información, sus procesamientos y las velocidades en las comunicaciones han provocado enormes cambios sociales llegando hasta los mismos ejércitos.

Parece como si estuviéramos llegando a un cierto límite en todo este entorno tecnológico. Casi cuesta imaginar nuevas aplicaciones que utilicen estos avances. Es como si se hubiera vuelto viejo tan rápidamente como ha estado evolucionando.

Sin embargo, cuando todavía queda bastante por atisbar límites con los ordenadores tal y como los conocemos, estamos a punto de ver nacer una nueva generación de máquinas dedicadas a procesar datos y a almacenarlos, y si las capacidades que conocemos nos parecen increíbles, esperen a ver los nuevos ordenadores, los ordenadores quánticos.

Capacidades de un ordenador cuántico

Por ejemplo, supongamos que queremos descifrar una contraseña más o menos complicada. Un ordenador clásico, por muy potente que sea tendría que procesar distintas combinaciones de números, una por una para encontrarla. Lo puede hacer muy rápido, pero podría tardar meses si la clave fuera complicada.

Sin embargo, con un computador cuántico, podrá probar miles de combinaciones en un mismo segundo, lo que en definitiva podría romper cualquier tipo de encriptación existente en la actualidad.

Esto es posible porque se cree que un computador cuántico con 600 qubits podría realizar cálculos que contengan la información de todos los átomos del universo en segundos, ya que teóricamente podrá procesar 2⁶⁰⁰ resultados (hablamos de trillones).

Evolución

Desde que empezaron a funcionar los primeros ordenadores, su principio físico no ha variado. Se trata de manejar la posibilidad que nos ofrece la electricidad que consiste en la existencia de dos polos posibles de excitación eléctrica: “excitado” o “no excitado”, y para entendernos hemos llamado bit a la menor unidad posible susceptible de ser excitada o no excitada eléctricamente, a sus dos estados posibles los hemos llamado “0” y “1” respectivamente.

Un bit es la menor unidad física que usan los ordenadores clásicos. A partir de agrupaciones de bits se pueden representar números, letras (mayúsculas y minúsculas) y otros signos (algunos lógicos como “=”, “<”, “>”, “y”, “o”), y otros necesarios para escribir tales como los paréntesis, las barras, las interrogaciones, las vocales con varios tipos de acentos, etc.

Se encontró, a partir de los sistemas de numeración existentes que son necesarios un mínimo de 8 bits para representar todos los signos y caracteres. A cada agrupación de esos 8 bits necesarios la hemos llamado “octeto”, también conocida como “Byte”. (No confundir con bit; 1 Byte = 8bits).

Es decir, la computación clásica se basa en dos estados: (0 o 1). Y por eso el sistema de numeración, el usado para contar y para realizar operaciones matemáticas, se llama sistema Binario.  

El sistema binario es uno de los muchos posibles. Los humanos hemos aprendido a usar otro sistema, el decimal. Se llama decimal porque usamos 10 signos (del 0 al 9). Y nos enseñaron a operar con ellos de manera que somos capaces de sumar, restar, medir, comparar, etc...

He considerado necesario contar todo esto que muchos ya conocerán (Y muchos otros usan cotidianamente si saber que lo saben), para establecer esa comparación: Los ordenadores clásicos son capaces de direccionar a partir de dos estados, mientras que los humanos podemos direccionar varios estados, y hemos elegido usar uno de ellos; el decimal.

Los ordenadores cuánticos no manejan bits ni Bytes, no son binarios ni decimales, manejan los llamados “qubits”.

Física cuántica

Los humanos entendemos bastante bien lo que sucede a nuestro tamaño, pero nos cuesta mucho entender lo que sucede tanto a escala subatómica como a escala estelar. La física cuántica de momento solo observa los fenómenos que ocurren a nivel de los átomos ya que todavía no somos capaces de explicarlos. Hoy siguen siendo incomprensibles para nosotros. Richard Feynman, premio novel de física en 1965 dijo: “Puedo afirmar, sin temor a equivocarme, que nadie entiende la física cuántica”. De modo que, evidentemente no voy a explicar nada de ella (Porque yo tampoco lo entiendo), simplemente expondré los resultados de los experimentos.  

Uno de estos inexplicables fenómenos se llama “fenómeno de superposición”. Es algo tan inexplicable por ahora como que una materia puede tener dos o mas estados a la vez (Incluso podría estar en dos sitios simultáneamente). Inexplicable si, pero los experimentos prueban sucede.

Y aquí está lo bueno: como los bits que usan los computadores están a escala subatómica, teóricamente pueden estar en, al menos, los dos estados a la vez que usan los bytes (0 y 1). A esas pequeñísimas partículas susceptibles de ser excitadas positiva y negativamente a la vez los llamamos qubit.

Bits y qubits

Trataré de explicar la diferencia entre un bit y un qubit de cara su uso computacional

La comparación simple entre ambas partículas es que un bit solo puede tener un 0 o un 1, mientras que un qubit puede tener uno y otro y ambos a la vez (por efecto de la inexplicable superposición anteriormente comentada).

Simplemente como intento de bajar estos fenómenos al mundo que podemos entender expondré un ejemplo práctico:

 En el cuadro adjunto, la parte azul se refiere a los bits (Que sólo pueden contener uno 0 o un 1). Cada recuadro interior representa un bit. 

La parte rosada se refiera a los qubits (Que pueden contener un 0 y/o un 1 al a vez). Cada recuadro representamos 1 qubit. Nótese que por cada qubit hay dos elementos binarios.

Además de dar muchas mas posibilidades de combinaciones entre un bit y un qbit, está la diferente capacidad de obtención de resultados; por ejemplo 13 bits dan 13 resultados, pero 13 qubits dan  8192 resultados (2 ¹³).

Los ordenadores quánticos más sencillos empezarían a compararse con nuestros actuales superordenadores.

Estado del arte a primeros de 2019

IBM ya trabaja en computación cuántica. Tiene 43 socios (entre ellos, universidades, laboratorios y el centro europeo de investigación nuclear CERN). Se está trabajando en un sistema operativo (El equivalente al Windows o al Unix) que han bautizado con el nombre de “Q System One”.

La industria de computación cuántica, según los expertos, se encuentra al mismo nivel que se encontraba la computación clásica en los años 50.

En este punto, parece necesario aunar las iniciativas públicas con las privadas; me explico: En las universidades, el uso de leyes cuánticas para la computación es familiar para muchos investigadores y estudiantes en los departamentos de ciencia y tecnología (Es muy destacada la Universidad de Valencia en España).

Como complemento, en la industria privada, están acostumbrados a gestionan entornos con altos niveles de complejidad, y trabajan expertos en diseño de sistemas y control de calidad, necesarios para que un proyecto funcione.

La unión de estos tres contextos parece vital para el avance en este campo (Ciencia, ingeniería y gestión).

Europa, por su parte, ha presentado la Quantum Flagship, un megaproyecto europeo de 1.000 millones de euros y 10 años de duración en el que más de 5.000 investigadores, tanto del mundo académico como industrial, se unen con un objetivo: llevar la física cuántica del laboratorio al mercado.

España estará presenta a través del El Instituto de Ciencias Fotónicas, que liderará dos de los primeros 20 consorcios organizados dentro de la iniciativa.

Epilogo

IBM acaba de afirmar que los primeros computadores cuánticos  llegarán en unos 5 años (2025).

Finalmente invito a los lectores a que vean estos dos videos que, de una forma genialmente simple explican lo que son los fenómenos cuánticos.

https://www.youtube.com/watch?v=9kHAKwcRhtY

https://www.youtube.com/watch?v=gismCjO_zBg

 (Cuidado que engancha)

  

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