El paradigma de la computación cuántica

En la frontera del mundo de la computación, existe un paradigma emergente conocido como computación cuántica, un nuevo enfoque informático basado en la Teoría Cuántica. Esta teoría Física explora cómo las partículas subatómicas se comportan en un mundo donde nuestro entendimiento de la realidad no es válido. En la dimensión cuántica, una partícula puede estar en múltiples lugares a la vez, o tener simultáneamente diferentes velocidades. Este fenómeno es conocido como superposición cuántica. También, las partículas pueden estar unidas por una fuerza que Albert Einstein llamaba: “Acción fantasmal a distancia”. Esta propiedad se denomina entrelazamiento cuántico. La Teoría Cuántica ha permitido los mayores avances tecnológicos del último siglo, desde la creación del láser, la Resonancia Magnética médica hasta toda la física de semiconductores que ha permitido la electrónica moderna. Además, ahora mismo, la Teoría Cuántica está permitiendo el desarrollo de la computación cuántica.

Qubits y ordenadores cuánticos

En el corazón de la computación cuántica se encuentran los qubits, que pueden ser 0, 1, o ambos simultáneamente, gracias al concepto de superposición. El entrelazamiento cuántico también permite nuevas propiedades computacionales. Aquí, dos partículas pueden correlacionarse de tal manera que el estado de una instantáneamente influirá en el estado de la otra, independientemente de la distancia entre ellas. Esto permite a los ordenadores cuánticos procesar una gran cantidad de información simultáneamente, proporcionando un poder de cálculo masivo.

Estas propiedades fundamentales diferencian drásticamente a la computación cuántica de su homóloga clásica. En la computación clásica, la información se procesa en bits que solo pueden existir en un estado: 0 o 1. En cambio, los qubits de un ordenador cuántico pueden representar múltiples estados a la vez. Esto significa que un ordenador cuántico puede procesar una cantidad exponencialmente mayor de datos en comparación con un ordenador clásico. Las puertas lógicas son, como en computación clásica, la forma de transformar un qubit (o un conjunto de qubits) en computación cuántica. Aunque existen similitudes, como la puerta AND, OR, XOR o NOT en computación cuántica existen puertas nuevas como HADAMARD o CNOT que no tienen análogo clásico. Además, las puertas lógicas cuánticas tienen propiedades como la reversibilidad, efecto global o superposición que no tienen las puertas clásicas.

Es precisamente esta potencia y flexibilidad lo que da vida a los algoritmos cuánticos. Estos algoritmos utilizan estas propiedades únicas de la computación cuántica para realizar cálculos que serían inaccesibles o extremadamente difíciles para un ordenador clásico. Un ejemplo es el algoritmo de Shor, que puede factorizar números en componentes primos con una velocidad asombrosa, mucho más rápido de lo que cualquier algoritmo clásico podría lograr. Estos algoritmos cuánticos pueden ser ejecutados de dos formas principales: a través de ordenadores y simuladores cuánticos. Los ordenadores cuánticos, como los que están siendo desarrollados por empresas líderes como IBM, Google y D-Wave, son dispositivos físicos que usan sistemas cuánticos para realizar cálculos. Esta es la auténtica esencia de la computación cuántica, aprovechando al máximo la superposición y el entrelazamiento.

Por otro lado, los simuladores cuánticos son programas de software que imitan el comportamiento de un ordenador cuántico en un ordenador clásico. Aunque no podrán competir con la velocidad y el poder de un auténtico ordenador cuántico, en el momento actual, los simuladores son herramientas valiosas para la investigación y el desarrollo. Actualmente los ordenadores cuánticos están bajo desarrollo y no están exentos de fallos, por tanto, en el momento actual los simuladores cuánticos ofrecen una mayor fiabilidad. Además, permiten un acceso a la computación cuántica de forma más fácil y con un menor coste. En el ITCL estamos desarrollando un simulador cuántico basado en tecnología GPU para la ejecución de circuitos cuánticos de forma óptima, paralela y remota.

El potencial de la cuántica

La computación cuántica tiene el potencial de transformar una gran cantidad de sectores productivos. Puede ayudar a las empresas a optimizar sus operaciones de una manera que no sería posible con la computación clásica. Por ejemplo, en la industria química, la capacidad de los ordenadores cuánticos para simular moléculas a nivel cuántico podría acelerar drásticamente el diseño de nuevos materiales y medicamentos. En el sector logístico, los algoritmos cuánticos podrían optimizar las rutas de entrega de forma mucho más eficiente que los algoritmos clásicos. En la industria energética puede ayudar a optimizar la distribución de la energía y a diseñar materiales más eficientes para la captura de energía solar y otras tecnologías de energía renovable. Este es solo el comienzo, la computación cuántica puede ser una poderosa herramienta para resolver problemas complejos en muchas otras industrias.

Mientras la tecnología sigue avanzando, es probable que veamos más aplicaciones de esta forma de computación. Desde sus principios en la teoría cuántica hasta su implementación en la industria, la computación cuántica está abriendo un nuevo paradigma en el procesamiento de la información. Este paradigma tiene el potencial para revolucionar la industria.