Pequeña explicación sobre la computación cuántica

Aquí tenemos una breve explicación sobre la computación cuántica.

D-Wave afirma haber lanzado al mercado el primer ordenador cuántico

Una empresa asegura haber lanzado este monstruo de la informática, capaz de realizar la llamada «optimización discreta»

El procesador fabricado por D-Wave

El estado actual de desarrollo nos revelaba que todavía estábamos a un mínimo de medio siglo de crear un ordenador cuántico completamente funcional. Por esa razón, es natural tomar con pinzas a esta noticia, pero aparentemente la gente de D-Wave ha lanzado al mercado el primer ordenador cuántico comercial. Este monstruo posee un procesador capaz de realizar la llamada “optimización discreta”, una operación aplicable en la solución de problemas de optimización muy específicos. En otras palabras, sólo un muy selecto grupo de personas podría estar interesado en este sistema, y no, no creemos que pueda correr al Crysis...

D-Wave One, todavía un misterio

Personalmente, cada vez que leo la frase "ordenador cuántico", se me pone la piel de gallina. Es decir, requiere mucho más que pensamiento abstracto. La informática actual nos habla de estados bien definidos. Un transistor puede estar encendido o apagado. Un bit puede ser cero o uno. Pero un bit cuántico, conocido como qubit, podría ser cero, uno, ambos o ninguno, todos al mismo tiempo. Y ahora, traigamos ante nosotros la idea de un ordenador de 128 bits dentro de un ordenador que acaba de ser lanzado al mercado. La gente de D-Wave ha anunciado oficialmente el lanzamiento del D-Wave One, considerado como el primer ordenador cuántico comercial, según publica Forbes. La magia (un término que probablemente haga escupir bilis a físicos teóricos) está a cargo del procesador antes mencionado, cuyo nombre código es Rainier.

Básicamente, el D-Wave One se comporta como un sistema muy especializado. Lo único que puede hacer es una operación matemática conocida como optimización discreta, utilizada sobre diferentes problemas de optimización que puedan existir en una aplicación, mientras que el “resto” del código se ejecuta en sistemas más convencionales. Algunas de las aplicaciones que la gente de D-Wave ha mencionado para su nuevo ordenador hablan sobre inteligencia artificial. El D-Wave One debería ser capaz de lidiar con cualquier sistema de inteligencia artificial que pueda ser convertido (o mejor dicho, “traducido”) a un Campo Aleatorio de Márkov, entre otras cosas.

Colgado y funcionando...

Si tienes razones para dudar de estas declaraciones por parte de D-Wave, debes saber que no eres el único. La compañía ha sido criticada durante los últimos años por varios expertos. No sólo hacen de la computación cuántica algo extremadamente complejo de interpretar, sino que además no parecen estar de acuerdo en el asunto. Pero regresando al ordenador de D-Wave, ni siquiera tiene un precio oficial publicado, por lo que asumimos que será realmente costoso. Aún con este ordenador en el mercado, estamos convencidos de que un ordenador cuántico todavía se encuentra a muchos años de nuestros escritorios, si es que en algún momento logra llegar. Después de todo, si hacemos caso a lo que hemos visto hasta aquí, un ordenador podría estar colgado y funcionando al mismo tiempo...

Computación cuántica

La computación cuántica es un paradigma de computación distindo al de la computación clásica. Se basa en el uso de qubits en lugar de bits, y da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos. Una misma tarea puede tener diferente complejidad en computación clásica y en computación cuántica, lo que ha dado lugar a una gran expectación, ya que algunos problemas intratables pasan a ser tratables. Mientras un computador clásico equivale a una máquina de Turing un computador cuántico equivale a una máquina de Turing cuántica.

Origen de la computación cuántica

A medida que evoluciona la tecnología, aumenta la escala de integración y caben más transistores en el mismo espacio; así se fabrican microchips cada vez más pequeños, y es que, cuanto más pequeño es, mayor velocidad de proceso alcanza el chip. Sin embargo, no podemos hacer los chips infinitamente pequeños. Hay un límite en el cual dejan de funcionar correctamente. Cuando se llega a la escala de nanómetros, los electrones se escapan de los canales por donde deben circular. A esto se le llama efecto túnel. Una partícula clásica, si se encuentra con un obstáculo, no puede atravesarlo y rebota. Pero con los electrones, que son partículas cuánticas y se comportan como ondas, existe la posibilidad de que una parte de ellos pueda atravesar las paredes si son demasiado finas; de esta manera la señal puede pasar por canales donde no debería circular. Por ello, el chip deja de funcionar correctamente. En consecuencia, la computación digital tradicional no tardaría en llegar a su límite, puesto que ya se ha llegado a escalas de sólo algunas decenas de nanómetros. Surge entonces la necesidad de descubrir nuevas tecnologías y es ahí donde entra la computación cuántica en escena.

La idea de computación cuántica surge en 1981, cuando Paul Benioff expuso su teoría para aprovechar las leyes cuánticas en el entorno de la computación. En vez de trabajar a nivel de voltajes eléctricos, se trabaja a nivel de cuanto. En la computación digital, un bit sólo puede tomar dos valores: 0 ó 1. En cambio, en la computación cuántica, intervienen las leyes de la mecánica cuántica, y la partícula puede estar en superposición coherente: puede ser 0, 1 y puede ser 0 y 1 a la vez (dos estados ortogonales de una partícula subatómica). Eso permite que se puedan realizar varias operaciones a la vez, según el número de qubits.

El número de qubits indica la cantidad de bits que pueden estar en superposición. Con los bits convencionales, si teníamos un registro de tres bits, había ocho valores posibles y el registro sólo podía tomar uno de esos valores. En cambio, si tenemos un vector de tres qubits, la partícula puede tomar ocho valores distintos a la vez gracias a la superposición cuántica. Así, un vector de tres qubits permitiría un total de ocho operaciones paralelas. Como cabe esperar, el número de operaciones es exponencial con respecto al número de qubits. Para hacerse una idea del gran avance, un computador cuántico de 30 qubits equivaldría a un procesador convencional de 10 teraflops (millones de millones de operaciones en coma flotante por segundo), cuando actualmente las computadoras trabajan en el orden de gigaflops (miles de millones de operaciones).

 

Problemas de la computación cuántica

Uno de los obstáculos principales para la computación cuántica es el problema de la decoherencia cuántica, que causa la pérdida del carácter unitario (y, más específicamente, la reversibilidad) de los pasos del algoritmo cuántico. Los tiempos de decoherencia para los sistemas candidatos, en particular el tiempo de relajación transversal (en la terminología usada en la tecnología de resonancia magnética nuclear e imaginería por resonancia magnética) está típicamente entre nanosegundos y segundos, a temperaturas bajas. Las tasas de error son típicamente proporcionales a la razón entre tiempo de operación frente a tiempo de decoherencia, de forma que cualquier operación debe ser completada en un tiempo mucho más corto que el tiempo de decoherencia. Si la tasa de error es lo bastante baja, es posible usar eficazmente la corrección de errores cuánticos, con lo cual sí serían posibles tiempos de cálculo más largos que el tiempo de decoherencia y, en principio, 

arbitrariamente largos. Se cita con frecuencia una tasa de error límite de 10^-4, por debajo de la cual se supone que sería posible la aplicación eficaz de la corrección de errores cuánticos.

Otro de los problemas principales es la escalabilidad, especialmente teniendo en cuenta el considerable incremento en qubits necesarios para cualquier cálculo que implica la corrección de errores. Para ninguno de los sistemas actualmente propuestos es trivial un diseño capaz de manejar un número lo bastante alto de qubits para resolver problemas computacionalmente interesantes hoy en día.

 

Hardware para computación cuántica

Aún no se ha resuelto el problema de qué hardware sería el ideal para la computación cuántica. Se ha definido una serie de condiciones que debe cumplir, conocida como la lista de Di Vinzenzo, y hay varios candidatos actualmente.