La computación cuántica constituye un paradigma de computación distinto al de la informática clásica. Se basa en el uso de cúbits (qubits en inglés), una especial combinación de unos y ceros.
La computación cuántica es un campo multidisciplinario que aúna aspectos de ciencias de la computación, física y matemáticas, y utiliza mecánicas cuánticas para resolver problemas complejos más rápido que las computadoras clásicas. El campo de la computación cuántica incluye investigación de hardware y desarrollo de aplicaciones. Una computadora cuántica funciona usando principios cuánticos, que son los que se indican a continuación:
a). La superposición. La superposición establece que, al igual que las ondas en la física clásica, puede agregar dos o más estados cuánticos y el resultado será otro estado cuántico válido. Por el contrario, también puede representar cada estado cuántico como una suma de dos o más estados distintos. Esta superposición de cúbits les da a las computadoras cuánticas su paralelismo inherente, permitiéndoles procesar millones de operaciones simultáneamente.
b). El entrelazamiento. El entrelazamiento cuántico ocurre cuando dos sistemas se vinculan tan estrechamente que el conocimiento sobre uno le brinda un conocimiento inmediato sobre el otro, sin importar cuán separados estén. Los procesadores cuánticos pueden sacar conclusiones sobre una partícula midiendo otra. El entrelazamiento cuántico permite que las computadoras cuánticas resuelvan problemas complejos más rápido. Cuando se mide un estado cuántico, la función de onda colapsa y el estado se mide como cero o como uno. En este estado conocido o determinista, el bit actúa como un bit clásico. El entrelazamiento es la capacidad de los cúbits para correlacionar su estado con otros cúbits.
c). La decoherencia. La decoherencia es la pérdida del estado cuántico en un bit. Los factores ambientales, como la radiación, pueden provocar el colapso del estado cuántico de los cúbits.
Un gran desafío de ingeniería en la construcción de una computadora cuántica es diseñar las diversas características que intentan retrasar la decoherencia del estado, como la construcción de estructuras especiales que protegen los cúbits de los campos externos.
Consecuentemente con todo ello, la principal característica de este sistema alternativo es que permite que se lleve a cabo la superposición coherente de unos y ceros, los dígitos del sistema binario sobre los que gira toda la computación, a diferencia del bit, que solo puede adoptar un valor al mismo tiempo -uno o cero-.
Los bits de la computación clásica pueden estar en 1 o en 0, pero solo un estado a la vez, en tanto que el cúbit (quantum bit) puede tener los dos estados simultáneamente.
Esto da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos. Una misma tarea puede tener diferente complejidad en computación clásica comparada con la que tiene en computación cuántica, lo que ha dado lugar a una gran expectación, ya que algunos problemas intratables pasan a ser tratables.
En teoría, cabe señalar que la misma sería capaz de almacenar muchísimos más estados por unidad de información, y, además, operar con algoritmos mucho más eficientes a nivel numérico, como el de Shor o el temple cuántico.
Esta nueva generación de superordenadores aprovecha el conocimiento de la mecánica cuántica - que es la parte de la física que estudia las partículas atómicas y subatómicas- para superar las limitaciones de la informática clásica.
Por ello, puede señalarse que, aunque actualmente la computación cuántica presenta en la práctica problemas evidentes de escalabilidad y decoherencia, permite realizar multitud de operaciones simultáneas y eliminar el efecto túnel que afecta a la programación actual en la escala nanométrica.
La computación cuántica y la tradicional representan en la actualidad dos mundos paralelos con algunas similitudes y numerosas diferencias entre sí, que son las que se indican a continuación:
a) En lo referente al lenguaje de programación. La computación cuántica carece de un código propio para programar y recurre al desarrollo e implementación de algoritmos muy específicos. Sin embargo, la informática tradicional cuenta con lenguajes estandarizados como Java, SQL o Python, entre muchos otros.
b) En lo atinente a la funcionalidad de una y otra: Un ordenador cuántico no es una herramienta para uso popular ni cotidiano, como un ordenador personal (PC). Estas supercomputadoras son tan complejas que solo tienen cabida en el ámbito corporativo, científico y tecnológico.
c) Y en cuanto a la arquitectura que caracteriza a una y otra informática: La composición de un ordenador cuántico es más sencilla que la de uno convencional, y no tiene memoria ni procesador. Estos equipos se limitan a un conjunto de qubits que sirven de base para su funcionamiento. En lo que se refiere a las condiciones que necesita un ordenador cuántico para funcionar, deben tenerse en consideración las siguientes:
a) Estos ordenadores son extremadamente sensibles y necesitan unas condiciones muy concretas de presión, temperatura y aislamiento para funcionar sin errores.
b) La interacción de estas máquinas con partículas externas provoca fallos de medición y el borrado de las superposiciones de estados, de ahí que permanezcan selladas y se tengan que manejar a través de ordenadores convencionales.
c) Un ordenador cuántico necesita una presión atmosférica casi inexistente, una temperatura ambiente próxima al cero absoluto (-273 °C) y aislarse del campo magnético terrestre para evitar que los átomos se muevan y colisionen entre sí, o interactúen con el entorno.
d) Además, estos sistemas funcionan durante intervalos muy cortos de tiempo, por lo que la información se termina dañando y no puede almacenarse, dificultando aún más la recuperación de los datos.
Magistrado y letrado del Tribunal Constitucional en excedencia. Socio director de Puyol Abogados