¿Qué es el Quantum Computing?

qué es quantum computing

Hasta el momento, las computadoras que utilizamos se basan en un precepto bastante básico y hasta para algunas personas obvio: la información se almacena y se procesa mediante unos y ceros.

Sin entrar en mucho detalle, una computadora puede definirse de la siguiente manera:

  1. Representar una información en binario, por ejemplo: 0100101010110.
  2. Realizar cálculos sobre esa información, por ejemplo, una multiplicación.
  3. Obtener el resultado de los cálculos, por ejemplo: 01011111010100.

La representación del cálculo en el paso 2, también se representa en binario. En otras palabras, las computadoras dependen de que cada información se pueda representar en dígitos. Por eso le llamamos la “era digital”.

Las computadoras actuales solamente entienden unos y ceros por una razón: internamente, tienen transistores que pueden tener uno de dos estados: almacenando electricidad (tienen un 1) o sin electricidad (tienen un cero). Claro está que para la información representada por el binario 0100101010110 requerimos un transistor por cada dígito. En este caso, el binario 0100101010110 requiere 13 transistores en donde unos están almacenando electricidad en ese momento y otros no.

Como conclusión, las computadoras digitales requieren de bits que representan forzosamente un uno o un cero. Son mutuamente excluyentes.

Ahora la parte Quántica. Para ello, algunos conceptos:

  1. Un Quántum es la unidad más pequeña posible de masa y de energía. Tiene la particularidad de que se comporta de manera simultánea como una partícula y como una onda.
  2. Superposición es la capacidad que tienen los quántums de tener dos estados de forma simultánea. En otras palabras, a diferencia de un bit (que solo puede tener el estado de 1 o de 0) aquí se pueden tener simultáneamente los dos estados.
  3. Un Qubit es el equivalente a un bit, pero en una computadora quántica. Con esto quiere decir que es un bit que tiene al mismo tiempo un 0 y un 1.

Las computadoras quánticas trabajan con el mismo principio de las computadoras digitales, solo que en lugar de bits con estados excluyentes, tienen qubits con estados simultáneos.

Pongamos un número binario más sencillo, digamos que tenemos dos bits de capacidad (dos transistores) y entonces podríamos generar los siguientes estados de información:

  1. 00
  2. 01
  3. 10
  4. 11

Y suponiendo ahora, una computadora de 2 bit de capacidad, para calcular el resultado de todas las posibles combinaciones, tendríamos que ejecutar lo siguiente:

  1. Toma la primer combinación (en este caso, el 00) como insumo.
  2. Realiza los cálculos con dicho insumo.
  3. Regresa el resultado en binario.
  4. Repite con la siguiente combinación (ahora, es el 01).

Con esto nos damos cuenta que para una computadora de 2 bit, calcular todos los posibles resultados nos tomaría 4 unidades de tiempo (una por cada combinación). Para una computadora de 3 bits, nos tomaría 8 unidades de tiempo:

  1. 000
  2. 001
  3. 010
  4. 011
  5. 100
  6. 101
  7. 110
  8. 111

Por lo tanto, entre más bits, nos toma más tiempo calcular todos los posibles resultados. La fórmula, de manera muy simplista, es 2 a la n potencia, en donde n es el número de bits. El incremento del tiempo es exponencial.

Pero no así con una computadora quántica. Dado que los qubits pueden tener los dos posibles estados de forma simultánea, no importa el número de qubits, el tiempo de procesamiento siempre es el mismo:

  1. Toma todas las combinaciones de forma simultánea (por la propiedad de la superposición).
  2. Realiza los cálculos con dicho insumo.
  3. Regresa el resultado en qubits, es decir, todos los los resultados en forma simultánea.

Y no se requiere repetir el proceso puesto que, en efecto, todos los cálculos han sido realizados en una sola unidad de tiempo (t = 1).

Las aplicaciones para las computadoras quánticas son prácticamente infinitas y sin precedentes. Podemos imaginar, por ejemplo, un programa quántico que en una unidad de tiempo, calcule todas las diferentes combinaciones de rutas para la entrega de camiones con mercancía. En una sola unidad de tiempo, calcular todos los posibles escenarios financieros en una casa de bolsa y que nos sugiera acciones que nos cubran de aquellos escenarios que nos son adversos, etc.

Ahora viene lo difícil: fabricar y mantener un qubit es, puesto de forma coloquial, muy complicado. Pero solo basta con recordar las primeras computadoras digitales, con el tamaño de una habitación entera, y compararlo ahora con la potencia de nuestros teléfonos inteligentes. No nos queda más que soñar que una evolución de esa naturaleza está prácticamente a la vuelta de la esquina.

P.D. Ya es posible utilizar y experimentar con una computadora quántica real… IBM lo ha hecho posible para cualquier persona.