Qué es un procesador cuántico y como funciona

Mucho os estaréis preguntando ¿Qué es un procesador cuántico y como funciona? En este artículo nos adentraremos en este mundo e intentaremos aprender más de este extraño ser que quizás algún día formará parte de nuestros bonitos chasis RGB, cuánticos claro.

Como todo en esta vida, o te adaptas o mueres. Y es precisamente lo que ocurre con la tecnología y no precisamente en un rango de millones de años como los seres vivos, sino en cuestión de anos o meses. La tecnología avanza a un ritmo vertiginoso y las grandes compañías no para de innovar en sus componentes electrónicos. Más potencia y menos consumo para proteger el medio ambiente, son las premisas que hoy día están de moda. Hemos llegado a un punto en que la miniaturización de los circuitos integrados está llegando casi al límite físico. Intel dice que será 5 nm, más allá de eso no existirá Ley de Moore que valga. Pero otra figura cobra fuerza, y es el procesador cuántico. En breve comenzamos a explicaros todas sus bondades.

Con IBM como precursor, importantes compañías como Microsoft, Google, Intel y la NASA ya se encuentran ensalzados en una lucha por ver quién es el que consigue construir el procesador cuántico más fiable y potente. Y es que seguramente será el futuro próximo. Vemos de que trata todos este del procesador cuántico

Por qué necesitamos un procesador cuántico

Los procesadores actuales están basados en transistores. Mediante una combinación de transistores se construyen puertas lógicas que permiten procesar las señales eléctricas que fluyen por ellas. Si unimos una serie de puertas lógicas obtendremos un procesador.

El problema está entonces en su unidad básica, los transistores. Si miniaturizamos estos, podremos colocar más en un mismo lugar proporcionando más potencia de procesamiento. Pero claro, existe un límite físico en todo esto, cuando alcanzamos transistores tan pequeños que son del orden de nanómetros, nos encontramos con problemas para que los electrones que circulan en su interior lo hagan correctamente. Existe la posibilidad de que estos se salgan de su cauce, choquen con otros elementos dentro del transistor y produzcan fallos en cadena.

Y este es precisamente el problema, que actualmente ya estamos alcanzando el límite de seguridad y estabilidad para fabricar procesadores mediante transistores clásicos.

Computación cuántica

Lo primero que tenemos que saber es en qué consiste la computación cuántica, y no es nada sencillo de explicar. Este concepto se aleja de lo que hoy en día conocemos como la computación clásica, la que utiliza bits, o estados binarios de “0” (0,5 voltios) y “1” (3 voltios) de un impulso eléctrico para formar cadenas lógicas de información computable.

La computación cuántica por su parte utiliza el término de qubit o cúbit para referirse a la información procesable. Un qubit no solamente contienen dos estados como el 0 y el 1 sino que además es capaz de contener simultáneamente 0 y 1 o 1 y 0, es decir puede tener estos dos estados al mismo tiempo. Esto implica que no tenemos un elemento que toma valores discretos 1 o 0, sino que, al poder contener ambos estados, este tiene una naturaleza continua y dentro de esta, determinados estados que serán más y menos estables.

A mayor cantidad de qubits más información se podrá procesar

Precisamente en la capacidad de tener más de dos estados y de tener varios de estos al mismo tiempo, radica su poder. Podríamos ser capaces de hacer más cálculos simultáneos y en un menor tiempo. A mayor cantidad de qubits más información se podrá procesar, en este sentido se asemeja a las CPU´s tradicionales.

Cómo funciona un ordenador cuántico

El funcionamiento se basa en las leyes cuánticas que rigen las partículas que forma el procesador cuántico. Todas las partículas tienen electrones además de protones y neutrones. Si cogemos un microscopio y alcanzamos a ver un flujo de partículas de electrones, podríamos ver que presentan un comportamiento parecido al de las ondas. Lo que caracteriza a una onda es que es un transporte de energía sin que exista transporte de materia, por ejemplo, el sonido, son vibraciones que no podemos ver, pero sabemos que viajan por el aire hasta llegar a nuestro oído.

Pues los electrones son partículas que son capaces de comportarse o bien como una partícula o bien como una onda y esto es lo que provoca que existan superposición de estados y se puedan dar 0 y 1 al mismo tiempo. Es como si se proyectaran las sombras de un objeto, en un ángulo encontramos una forma y en otro otra distinta. La conjunción de las dos, forman la forma del objeto físico.

Entonces, en lugar de dos valores 1 o 0 que conocemos como bits, que se basan en voltajes eléctricos, este procesador es capaz de trabajar con más estados llamados cuantos. Un cuanto, además de medir el mínimo valor que puede tomar una magnitud (por ejemplo 1 voltio), también es capaz de medir la mínima variación posible que puede experimentar este parámetro al pasar de un estado a otro (por ejemplo, poder diferenciar la forma de un objeto mediante dos sombras simultáneas).

Podemos tener 0, 1 y 0 y 1 al mismo tiempo, es decir bits superpuestos unos encima de otros

Para que nos quede claro, podemos tener 0, 1 y 0 y 1 al mismo tiempo, es decir bits superpuestos unos encima de otros. Cuantos más qubits, más bits podremos tener unos encima de otros y entonces más valores podremos tener simultáneamente. De esta forma en un procesador de 3 bits, tendremos que hacer tareas que tengan uno de estos 8 valores, pero no más de uno a la vez. en cambio, para un procesador de 3 qubits tendremos una partícula que puede tomar ocho estados a la vez y entonces podremos hacer tareas con ocho operaciones de forma simultanea

Para que nos hagamos una idea, la unidad de procesador más potente jamás creada actualmente cuenta con una capacidad de 10 teraflops o lo que es lo mismo 10 billones de operaciones en coma flotante por segundo. Un procesador de 30 qubits sería capaz de hacer esta misma cantidad de operaciones. IBM ya tienen un procesador cuántico de 50 bits y aún estamos en la fase experimental de esta tecnología. Imaginémonos hasta donde podemos llegar.Como ves el rendimiento es muy superior que en un procesador normal. Según aumentan los qubits de un procesador cuántico las operaciones que puede realizar se multiplican de forma exponencial.

Cómo se puede crear un procesador cuántico

Gracias a un dispositivo que sea capaz de trabajar con estados continuos en lugar de tener solo dos posibilidades es posible replantear problemas que hasta ahora eran imposibles de resolver. O también resolver problemas actuales de una forma más rápida y eficiente. Todas estas posibilidades se abren con una máquina cuántica.

Para “cuantizar” las propiedades de las moléculas tenemos que llevar estas a temperatura cercanas el cero absoluto

Para conseguir estos estados no podemos utilizar transistores basados en impulsos eléctricos que al final serán o un 1 o un 0. Para ello tendremos que mirar más lejos, concretamente en leyes de la física cuántica. Tendremos que conseguir que estos qubit formados físicamente por partículas y moléculas sean capaces de hacer algo parecido a lo que hacen los transistores, es decir, conseguir establecer unas relaciones entre ellas de forma controlada para que nos ofrezcan la información que queremos.

Esto es lo verdaderamente complicado y la asignatura a superar de la computación cuántica. Para “cuantizar” las propiedades de las moléculas que forman el procesador tenemos que llevar estas a temperatura cercanas el cero absoluto (-273,15 grados centígrados). Para que la máquina sepa diferenciar un estado de otro, necesitamos conseguir que estos sean distintos por ejemplo una corriente de 1 V y de 2 V, si colocamos un voltaje de 1,5 V la maquina no sabrá que es uno u otro. Y esto es lo que se debe conseguir.

Inconvenientes de la computación cuántica

El inconveniente principal que se antoja en esta tecnología es precisamente el de controlar estos distintos estados por los que puede pasarla materia. Al contar con estados simultáneos es muy difícil realizar cálculos estables mediante algoritmos cuánticos. A esto se le denomina descoherencia cuántica, aunque no entraremos en jardines innecesarios. Lo que debemos entender es que entre más qubits tendremos más estados, y a mayor número de estados más velocidad tendremos, pero también más difícil de controlar será los errores en los cambios de la materia que se produzcan.

Es más, las normas que rigen estos estados cuánticos de los átomos y las partículas dicen que no podremos observar el proceso de computación mientras este se produce, ya que, si interferimos en él, los estados superpuestos se destruirían por completo.

Os estados cuánticos son tremendamente frágiles y los ordenadores deben estar completamente aislados al vacío y a temperaturas cercanas al cero absoluto para conseguir una tasa de error del orden del 0,1%. O los fabricantes de refrigeración líquida se ponen las pilas o nos quedamos sin ordenador cuántico para navidades. Debido a todo esto, lo existirán al menos a medio plazo ordenador cuánticos para usuarios, quizás sí que puedan existir unos cuantos de estos repartidos por el mundo en las condiciones requeridas y podamos acceder a ellos mediante internet.

Usos

Con su poder de procesamiento estos procesadores cuánticos estarán destinados principalmente al cálculo científico y a resolver problemas hasta la fecha irresolubles. La primera de las áreas de aplicación posiblemente sea la química, precisamente por ser el procesador cuántico un elemento basado en la química de partículas. Gracias a este se podría estudiar los estados cuánticos de la materia, a día de hoy imposibles de resolver por ordenadores convencionales.

Después de esto podría tener aplicaciones para el estudio de genoma humano, la investigación de enfermedades etc. Las posibilidades son enormes y las pretensiones reales, por lo que solo nos queda esperar. ¡Estaremos preparados para la review del procesador cuántico!