El PC de Schrödinger

Schrödinger hizo una de las mayores contribuciones a la mecánica cuántica, (la rama de la física que describe los fenómenos subatómicos), a través de la ecuación que lleva su nombre, pero popularmente es conocido por un ejemplo desconcertante, la llamada paradoja del gato de Schrödinger.

Un sistema formado por una caja cerrada y opaca que contiene un gato en su interior, una botella de gas venenoso y un dispositivo, el cual contiene una partícula radiactiva con una probabilidad del 50% de desintegrarse en un tiempo dado, de manera que si la partícula se desintegra, el veneno se libera y el gato muere. Al terminar el tiempo establecido, hay una probabilidad del 50% de que el dispositivo se haya activado y el gato esté muerto, y la misma probabilidad de que el dispositivo no se haya activado y el gato esté vivo. Según los principios de la mecánica cuántica, la descripción correcta del sistema en ese momento (su función de onda) será el resultado de la superposición de los estados «vivo» y «muerto» (a su vez descritos por su función de onda). Sin embargo, una vez que se abra la caja para comprobar el estado del gato, éste estará vivo o muerto. Ahí radica la paradoja. Mientras que en la descripción física clásica del sistema, el gato estará vivo o muerto antes de que abramos la caja y comprobemos su estado, en la física cuántica el sistema se encuentra en una superposición de los estados posibles hasta que interviene el observador. El paso de una superposición de estados a un estado definido, se produce como consecuencia del proceso de medida (colapso de la función de onda), y no puede predecirse el estado final del sistema: solo la probabilidad de obtener cada resultado. 

To be and not to be that is the answer

Es un bonito ejemplo, aunque todos sabemos que los gatos tienen 7 vidas con lo que en realidad tan sólo tienen un 7,14% probabilidades de morir, pero lo que importa es que la paradoja muestra la superposición de estados, uno de los principios sorprendentes y anti-intuitivos de la mecánica cuántica. Y es la base de la computación cuántica. Mientras un ordenador convencional se basa en la electricidad, que pasa por unos circuitos y sólo pueden tener dos estados físicos: a) encendido que significa que la electricidad puede recorrer el circuito, representado por el  número 1;  b) apagado, que significa ausencia de conectividad eléctrica y se representa por el número 0. Aplicando la teoría de la información decimos que el único estado posible de un circuito eléctrico, en el que en definitiva está basado un procesador, se puede definir por la unidad mínima que es el bit (1 ó 0). A partir del bit podemos realizar todo tipo de operaciones lógicas, que son los cálculos de más bajo nivel en los procesadores.

El órdenador cuántico no está basado en la electricidad, sino en los atomos mismos, especialmente en los estados de sus subparticulas. Estos funcionan a nivel atómico, unas 200 veces más pequeño que la arquitectura 45mn de Intel. Las subparticulas como un electrón tienen superposición de estados, lo cual significa que podemos almacenar más información en una misma unidad.  El qbit o quantum bit, es la unidad mínima de información de un ordenador cuántico. En un qbit (1 y 0) almacenamos dos estados al mismo tiempo, lo que quiere decir que 1 qbit es igual a 2 bits, más concretamente,  1 qbit = 2¹ bits, o sea en general, N qbit = 2^N  bits. Se trata del poder de lo exponencial, de las escalas logarítmicas. Pensemos en un ejemplo mayor, 500 qbits = 2⁵⁰⁰ bits igual a:

1000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 

esto son ¡más partículas de las que tiene el Universo! Y los ordenadores actuales, ya han sobrepasado esa cantidad. Esta enorme capacidad para ciertos cálculos, se ha visto demostrada por algunos algoritmos como es el caso del de Shor, que en 1994 describió un algoritmo cuántico -(O((log₂n)³))- para factorizar números en un tiempo polinomial, que es exponencialmente más rápido que cualquier algoritmo clásico conocido y por tanto, virtualmente podría romper cualquier clave pública RSA de 2048 bits o superior en minutos, cuando convencionalmente se necesitarían miles de años. Sin duda, la criptografía cuántica, iniciada en 1984 con el protocolo BB84 de Bennett-Brassard, ha sido el gran atractor de inversiones, que ha permitido el desarrollo de la computación cuántica: Isaac Chuang construyó en 1998 la primera computadora cuántica de un sólo qbit. Pero sin duda, el gran inspirador de la computación cuántica fué el genial Feynman que en 1982 afirmó que sólo los ordenadores cuánticos podrían simular la física cuántica.

La superposición permite un procesamiento paralelo auténtico. Los procesadores convencionales siempre realizan operaciones secuenciales a bajo nivel, y sólo se puede paralelizar a base de dividir el tiempo de las tareas de alto nivel. El procesador cuántico, en cambio, realiza operaciones paralelas exponencialmente.

Beam me up!

La superposición nos remite además a uno de los más emocionantes fenómenos físicos, llamado entrelazamiento cuántico (quantum entanglement), cuyo efecto más entendible es la teleportación de Star Trek. Dos particulas separadas por enormes distancias, pueden estar enlazadas de manera que cuando se influye en una se hace en la otra al mismo tiempo, ya que conforman en realidad un mismo sistema. Este fenómeno permite enviar información de manera inmediata a grandes distancias. Por muy imposible que parezca, esto empieza a ser una tecnología al alcance, en 2010 se consiguió teleportar un fotón a 16 Km de distancia instantáneamente. La computación cuántica necesita refrigerar los átomos a temperaturas cercanas al cero absoluto como  20 mK (miliKelvin), para poder utilizar las propiedades del entrelazamiento. Los ordenadores cuánticos son de hecho, los lugares más fríos del Universo, más incluso que el espacio interestelar. 

El minúsculo chip cuántico al final de la torre invertida que congela los átomos para poder tratarlos

El gran problema de la computación cuántica es el fenómeno de la decoherencia cuántica. Esto ocurre cuando un estado cuántico entrelazado da lugar a un estado físico clásico (no entrelazado), es como si un ordenador clásico se quedara sin electricidad. De esta manera se pierden las propiedades que permiten su capacidad de calculo. Se trata de una pérdida de calidad de las condiciones cuánticas, en la que la influencia del entorno como el calor, los campos magnéticos, el polvo o las radiaciones, perturban el sistema y los resultados de la computación son incoherentes. Este fenómeno no puede evitarse, pero se puede retardar de manera suficiente para garantizar su funcionamiento, por eso es fundamental conseguir un aislamiento casi total del procesador. 

Los ordenadores cuánticos no suponen ventaja alguna para la gran mayoría de tareas, que solemos hacer en los ordenadores convencionales, precisamente no conseguiremos twitterar más rápido con ellos. Su mayor ventaja se encuentra en sistemas que necesitan realizar cálculos exponenciales o logarítmicos como criptografía, modelación física (meteorología, finanzas, ingeniería), resonancia magnética nuclear, simulaciones o gestión de big data.  Especialmente están bien dotados para sistemas inteligentes que aprenden. Este es el caso de la implementación de las llamadas Deep Boltzmann Machines, redes neuronales recurrentes estocásticas, que permiten el autoaprendizaje y que sirven, por ejemplo, para el reconocimiento de patrones, una de las tareas más complejas para los ordenadores y que el cerebro humano realiza de manera muy rápida y eficiente. Se sabe que la agencia secreta norteamericana NSA está trabajando ya con ordenadores cuánticos, que le permiten descifrar virtualmente cualquier clave encriptada.

D-Wave Two, de sobremesa tipo torre, de Pisa

Pero no desesperes, tú también puedes comprar un ordenador cuántico por poco más de un millón de dólares. La empresa D-Wave (http://www.dwavesys.com) ha comercializado el primer ordenador cuántico para uso comercial, ya en su segunda versión D-Wave Two. Su portentoso procesador de 512 qbits, que comparado con un ordenador con Intel Xeon E5-2690 a 2.9 GHz, es de media 4000 veces más rápido) viene almacenado en una pequeña habitación blindada -una nevera de hecho- y casi vacía, de diez metros. Tendrás que tener una plaza de párking sólo para el ordenador, pero vale la pena.

Vídeos divulgativos

D-Wave Quantum Computer
Quantum computation: Michelle Simmons at TEDxSydney

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