IBM lanzó un computador cuántico, pero qué diablos es un computador cuántico

Hace apenas un par de semanas, en el Consumer Electronics Show de Las Vegas, IBM presentó el primer computador cuántico comercial. A simple vista, la máquina que exhibió la compañía lucía como una gran caja de vidrio negro, de dos metros de largo por dos de ancho, con algo parecido a una lámpara diseñada por un artista alternativo colgando de la tapa superior.

La mayoría de noticias que circularon sobre el IBM Q System One tenían un problema: eludían explicar qué demonios es un computador cuántico. Decían que era un primer paso para “resolver con rapidez problemas de gran complejidad y procesar inmensas cantidades de datos”, que necesita una temperatura extremadamente baja para operar y que, a diferencia de las computadoras clásicas, utiliza “un sistema de cúbits​​ o bits cuánticos que almacenan información en las dos cifras del código binario, 1 y 0 simultáneamente”.

El problema con el tema “cuántico” es que desde principios del siglo XX, cuando físicos como Werner Heisenberg, Max Born y el austríaco Erwin Schrödinger sentaron las bases de la teoría cuántica, quedó claro que eran ideas que van en contravía de lo que nos indican nuestros sentidos y lógica. Tanto así que en una de sus conferencias el físico estadounidense Richard Feynman sembró la desesperanza: “Creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica”.

Cada vez que aparece un sistema o una máquina para calcular, los cimientos de la civilización crujen. Si la promesa de los computadores cuánticos se materializa, nos convertiríamos en la primera generación de humanos en experimentar un salto inaudito en la capacidad de cálculo. Habríamos pasado de acariciar las tiernas calculadoras Casio o Texas Instruments a tocar aparatos capaces de simular moléculas, desencriptar códigos complejos, superar a todos los computadores tradicionales juntos.

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Jhonathan Romero Fontalvo es colombiano y está terminando un doctorado en fisicoquímica en la Universidad de Harvard. Su trabajo se ha centrado en el desarrollo de algoritmos para computadores cuánticos. Es decir, en imaginar y desarrollar métodos para sacarles provecho a esas máquinas en el mundo de la química.

Para explicar cómo funciona un computador cuántico, Jhonathan tiene primero que dar un rodeo obligatorio por los computadores clásicos con los que ya convivimos. Si rastreamos cada cosa que vemos en nuestras pantallas, cada color, letra, los números, lo que sea, hasta las entrañas del computador, encontraríamos que están escritas en un código binario de 1 y 0 que a su vez se traduce en electricidad. “La información es física”, dice Jhonathan. “Cada bit de información existe en un circuito en forma de voltaje. Si el voltaje está por encima de cierto nivel representa un 1 y por debajo representa un 0. El elemento clave en el computador clásico es un transistor, que puede simular un switch, puede cambiar a 1 o 0. Con ese solo elemento se puede componer cualquier operación lógica”.

En el procesador del computador, en un chip, hay miles de millones de transistores. Para hacerlo más fácil pide imaginar a un grupo de niños de primaria atrapados en ese circuito, cada uno haciendo sumas de ceros y unos.

Los computadores cuánticos usan principios distintos al computador clásico para procesar información. Cuando uno entra en el mundo cuántico, en lo más pequeño del universo, es como entrar con Alicia al País de las Maravillas. Las leyes clásicas se alteran. Y una de esas nuevas leyes es la “superposición”: una partícula puede tener dos estados al mismo tiempo. Puede, por ejemplo, tener dos niveles de energía al mismo tiempo y por lo tanto representar un 1 y un 0 al mismo tiempo. Entonces ya no se habla de bits sino de cúbits.

“Aquí empieza a confundirse la gente. Generalmente dicen que el cúbit es 1 y 0. No es tanto eso. Es como si pudiera tener algo que es 30 % 0 y 70 % 1, uno o cualquier combinación. Igual, al describirlo de esa forma también estoy siendo laxo”. No olvidemos a Feynman y su advertencia.

Entonces si con un cúbit tengo dos estados (0 y 1), con dos cúbits puedo tener cuatro estados: 0 y 0, 1 y 1, 1 y 0, 0 y 1. Con tres cúbits tengo ocho posibilidades. Con cada nuevo cúbit aumenta exponencialmente la capacidad. Con tan solo 100 cúbits se alcanzaría algo así como 1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,375 posibilidades. Muchos billones de veces la capacidad de almacenamiento de todas las computadoras jamás fabricadas.

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Larry Greenemeier, editor de tecnología en la revista Scientific American en un artículo titulado ¿Qué tan cerca realmente estamos de construir un computador cuántico?, dice que una metáfora común utilizada para comparar los dos tipos de computadores es una moneda. “En un procesador de computadora convencional, un transistor es como una moneda con la cara hacia arriba o hacia abajo. Pero si te pregunto si esa moneda es cara o cola mientras está girando, podrías decir que la respuesta es ambas. Eso es lo que constituye una computadora cuántica… Trescientas monedas, todavía un número relativamente pequeño, representarían más estados que átomos en el universo”.

¿De qué están hechas esas nuevas computadoras si las otras “físicamente” son voltajes dentro de transistores? Como se trata de inventar una máquina nueva, todos los que han entrado en la carrera de la computación cuántica están ensayando distintos modelos. Y en esa lista están IBM, Google, el gobierno de Estados Unidos, los europeos y China.

Alejandro Perdomo Ortiz, también colombiano, con un doctorado en físico-química de Harvard y hasta hace poco vinculado a una empresa privada en el desarrollo de computación cuántica, dice que “en un principio los computadores usaron tubos de vacío, luego transistores y en los computadores cuánticos se usan ‘átomos atrapados’. Otros, como IBM, usan ‘anillos superconductores’”. Así como un átomo puede representar simultáneamente el cero y el uno, en los anillos superconductores, cuando se enfrían a temperaturas muy bajas, 200 veces más frías que el espacio interestelar (10 milikelvins), la corriente que fluye hacia un lado puede representar el 0 y la del lado contrario el 1. Lo que lleva al mismo principio de superposición.

“Ser capaz de aislar un átomo es una vaina es muy jodida”, comenta Jhonathan, “lo sorprendente es que se logró en los noventas con experimentos en los que se crea una cámara de vacío y usando campos magnéticos y láseres puedes atrapar y poner en línea varios átomos. Crear una trampa iónica”. El año pasado el Premio Nobel de Física fue otorgado a Arthur Ashkin, Gérard Mourou y Donna Strickland por crear pinzas e instrumentos para manipular la materia a ese nivel.

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“Estamos hablando de un campo muy futurista. Hoy tenemos computadores y celulares, pero imagínese cómo era en la década de los sesenta. Veo esto proyectado a 20 a 30 años”, dice Alejandro. Startup Rigetti Computing, una de las empresas independientes que entró en esta carrera, anunció el año pasado que había construido un procesador con 128 cubits hechos con circuitos de aluminio que están súper enfriados para hacerlos superconductores. Google e IBM cuentan con chips con 72 y 50 qubits, respectivamente.

No sólo la superposición resulta una ventaja de los computadores cuánticos. Hay una más: el entrelazamiento. “Es una propiedad que ni Einstein entendía”, dice Alejandro: “Si entrelazo dos átomos y mando uno a la galaxia de Andrómeda y el otro lo dejo aquí, cualquier cosa que le pase a uno de los átomos afecta al otro”. Aprovechar esta virtud del mundo cuántico permitirá crear sistemas de cómputo más complejos.

Tanto Jhonathan como Alejandro coinciden en que apenas estamos viendo la computación cuántica en pañales y los dos grandes retos en este momento son lograr demostrar la supremacía cuántica, que no es otra cosa que hacer algo que ningún computador clásico pueda hacer, y después de eso hacer algo que resulte útil para todos. De otra manera solo habrá sido un buen sueño.

Si llegan a funcionar los computadores cuánticos, como lo apuntó Martin Giles en la revista MIT Technology Review en un artículo sobre cómo China ya dio importantes pasos en este terreno, “las máquinas podrían usarse para descubrir nuevos materiales y medicamentos ejecutando simulaciones de reacciones químicas que son demasiado complejas para las computadoras clásicas. También podrían impulsar la inteligencia artificial… podrían transmitir datos confidenciales para transacciones financieras y proporcionar mayor secreto para las operaciones y comunicaciones militares. Los investigadores también están trabajando en sensores cuánticos que permitirían a los submarinos navegar sin depender de las señales de los satélites, y un radar cuántico que podría detectar aviones sigilosos”.

Por lo pronto chorros de dinero están fluyendo hacia los laboratorios. En 2017, los inversores de riesgo invirtieron aproximadamente US $ 241 millones en nuevas empresas que trabajan en hardware o software de computación cuántica en todo el mundo. China y Europa han lanzado iniciativas que rondan los US $ 1.100 millones de dólares)

No todo es color de rosa. Katia Moskvitch en un reportaje para Quanta Magazine presentó al matemático Gil Kalai, de la Universidad Hebrea de Jerusalén, como uno de los grandes escépticos de toda esta gran promesa tecnológica. Para él estamos ante un espejismo. Junto a otros teóricos, cree que existen buenas razones teóricas por las que las entrañas de una computadora cuántica (los "cubits") nunca podrán realizar la coreografía compleja que se les pide. Kalai ya intentado demostrar que la gran debilidad de los computadores cuánticos será “el ruido”, la producción de errores.

Como lo explicó Moskvith, “todos los sistemas físicos son ruidosos, y las interacciones con el mundo exterior inevitablemente corromperán los qubits mantenidos en superposiciones altamente sensibles. Derrotar el ruido no es solo una cuestión de ingeniería. Hacer esto violaría ciertos teoremas fundamentales de computación”. Kalai usa una sencilla analogía para explicarlo: “Si piensa en el proceso computacional como una sinfonía de Beethoven, el ruido nos permitirá escuchar solo los bajos, pero no los violonchelos, las violas y los violines”.

Ya veremos quién tiene la razón.

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Hace apenas un par de semanas, en el Consumer Electronics Show de Las Vegas, IBM presentó el primer computador cuántico comercial. A simple vista, la máquina que exhibió la compañía lucía como una gran caja de vidrio negro, de dos metros de largo por dos de ancho, con algo parecido a una lámpara diseñada por un artista alternativo colgando de la tapa superior.

La mayoría de noticias que circularon sobre el IBM Q System One tenían un problema: eludían explicar qué demonios es un computador cuántico. Decían que era un primer paso para “resolver con rapidez problemas de gran complejidad y procesar inmensas cantidades de datos”, que necesita una temperatura extremadamente baja para operar y que, a diferencia de las computadoras clásicas, utiliza “un sistema de cúbits​​ o bits cuánticos que almacenan información en las dos cifras del código binario, 1 y 0 simultáneamente”.

El problema con el tema “cuántico” es que desde principios del siglo XX, cuando físicos como Werner Heisenberg, Max Born y el austríaco Erwin Schrödinger sentaron las bases de la teoría cuántica, quedó claro que eran ideas que van en contravía de lo que nos indican nuestros sentidos y lógica. Tanto así que en una de sus conferencias el físico estadounidense Richard Feynman sembró la desesperanza: “Creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica”.

Cada vez que aparece un sistema o una máquina para calcular, los cimientos de la civilización crujen. Si la promesa de los computadores cuánticos se materializa, nos convertiríamos en la primera generación de humanos en experimentar un salto inaudito en la capacidad de cálculo. Habríamos pasado de acariciar las tiernas calculadoras Casio o Texas Instruments a tocar aparatos capaces de simular moléculas, desencriptar códigos complejos, superar a todos los computadores tradicionales juntos.

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Jhonathan Romero Fontalvo es colombiano y está terminando un doctorado en fisicoquímica en la Universidad de Harvard. Su trabajo se ha centrado en el desarrollo de algoritmos para computadores cuánticos. Es decir, en imaginar y desarrollar métodos para sacarles provecho a esas máquinas en el mundo de la química.

Para explicar cómo funciona un computador cuántico, Jhonathan tiene primero que dar un rodeo obligatorio por los computadores clásicos con los que ya convivimos. Si rastreamos cada cosa que vemos en nuestras pantallas, cada color, letra, los números, lo que sea, hasta las entrañas del computador, encontraríamos que están escritas en un código binario de 1 y 0 que a su vez se traduce en electricidad. “La información es física”, dice Jhonathan. “Cada bit de información existe en un circuito en forma de voltaje. Si el voltaje está por encima de cierto nivel representa un 1 y por debajo representa un 0. El elemento clave en el computador clásico es un transistor, que puede simular un switch, puede cambiar a 1 o 0. Con ese solo elemento se puede componer cualquier operación lógica”.

En el procesador del computador, en un chip, hay miles de millones de transistores. Para hacerlo más fácil pide imaginar a un grupo de niños de primaria atrapados en ese circuito, cada uno haciendo sumas de ceros y unos.

Los computadores cuánticos usan principios distintos al computador clásico para procesar información. Cuando uno entra en el mundo cuántico, en lo más pequeño del universo, es como entrar con Alicia al País de las Maravillas. Las leyes clásicas se alteran. Y una de esas nuevas leyes es la “superposición”: una partícula puede tener dos estados al mismo tiempo. Puede, por ejemplo, tener dos niveles de energía al mismo tiempo y por lo tanto representar un 1 y un 0 al mismo tiempo. Entonces ya no se habla de bits sino de cúbits.

“Aquí empieza a confundirse la gente. Generalmente dicen que el cúbit es 1 y 0. No es tanto eso. Es como si pudiera tener algo que es 30 % 0 y 70 % 1, uno o cualquier combinación. Igual, al describirlo de esa forma también estoy siendo laxo”. No olvidemos a Feynman y su advertencia.

Entonces si con un cúbit tengo dos estados (0 y 1), con dos cúbits puedo tener cuatro estados: 0 y 0, 1 y 1, 1 y 0, 0 y 1. Con tres cúbits tengo ocho posibilidades. Con cada nuevo cúbit aumenta exponencialmente la capacidad. Con tan solo 100 cúbits se alcanzaría algo así como 1,267,650,600,228,229,401,496,703,205,375 posibilidades. Muchos billones de veces la capacidad de almacenamiento de todas las computadoras jamás fabricadas.

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Larry Greenemeier, editor de tecnología en la revista Scientific American en un artículo titulado ¿Qué tan cerca realmente estamos de construir un computador cuántico?, dice que una metáfora común utilizada para comparar los dos tipos de computadores es una moneda. “En un procesador de computadora convencional, un transistor es como una moneda con la cara hacia arriba o hacia abajo. Pero si te pregunto si esa moneda es cara o cola mientras está girando, podrías decir que la respuesta es ambas. Eso es lo que constituye una computadora cuántica… Trescientas monedas, todavía un número relativamente pequeño, representarían más estados que átomos en el universo”.

¿De qué están hechas esas nuevas computadoras si las otras “físicamente” son voltajes dentro de transistores? Como se trata de inventar una máquina nueva, todos los que han entrado en la carrera de la computación cuántica están ensayando distintos modelos. Y en esa lista están IBM, Google, el gobierno de Estados Unidos, los europeos y China.

Alejandro Perdomo Ortiz, también colombiano, con un doctorado en físico-química de Harvard y hasta hace poco vinculado a una empresa privada en el desarrollo de computación cuántica, dice que “en un principio los computadores usaron tubos de vacío, luego transistores y en los computadores cuánticos se usan ‘átomos atrapados’. Otros, como IBM, usan ‘anillos superconductores’”. Así como un átomo puede representar simultáneamente el cero y el uno, en los anillos superconductores, cuando se enfrían a temperaturas muy bajas, 200 veces más frías que el espacio interestelar (10 milikelvins), la corriente que fluye hacia un lado puede representar el 0 y la del lado contrario el 1. Lo que lleva al mismo principio de superposición.

“Ser capaz de aislar un átomo es una vaina es muy jodida”, comenta Jhonathan, “lo sorprendente es que se logró en los noventas con experimentos en los que se crea una cámara de vacío y usando campos magnéticos y láseres puedes atrapar y poner en línea varios átomos. Crear una trampa iónica”. El año pasado el Premio Nobel de Física fue otorgado a Arthur Ashkin, Gérard Mourou y Donna Strickland por crear pinzas e instrumentos para manipular la materia a ese nivel.

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“Estamos hablando de un campo muy futurista. Hoy tenemos computadores y celulares, pero imagínese cómo era en la década de los sesenta. Veo esto proyectado a 20 a 30 años”, dice Alejandro. Startup Rigetti Computing, una de las empresas independientes que entró en esta carrera, anunció el año pasado que había construido un procesador con 128 cubits hechos con circuitos de aluminio que están súper enfriados para hacerlos superconductores. Google e IBM cuentan con chips con 72 y 50 qubits, respectivamente.

No sólo la superposición resulta una ventaja de los computadores cuánticos. Hay una más: el entrelazamiento. “Es una propiedad que ni Einstein entendía”, dice Alejandro: “Si entrelazo dos átomos y mando uno a la galaxia de Andrómeda y el otro lo dejo aquí, cualquier cosa que le pase a uno de los átomos afecta al otro”. Aprovechar esta virtud del mundo cuántico permitirá crear sistemas de cómputo más complejos.

Tanto Jhonathan como Alejandro coinciden en que apenas estamos viendo la computación cuántica en pañales y los dos grandes retos en este momento son lograr demostrar la supremacía cuántica, que no es otra cosa que hacer algo que ningún computador clásico pueda hacer, y después de eso hacer algo que resulte útil para todos. De otra manera solo habrá sido un buen sueño.

Si llegan a funcionar los computadores cuánticos, como lo apuntó Martin Giles en la revista MIT Technology Review en un artículo sobre cómo China ya dio importantes pasos en este terreno, “las máquinas podrían usarse para descubrir nuevos materiales y medicamentos ejecutando simulaciones de reacciones químicas que son demasiado complejas para las computadoras clásicas. También podrían impulsar la inteligencia artificial… podrían transmitir datos confidenciales para transacciones financieras y proporcionar mayor secreto para las operaciones y comunicaciones militares. Los investigadores también están trabajando en sensores cuánticos que permitirían a los submarinos navegar sin depender de las señales de los satélites, y un radar cuántico que podría detectar aviones sigilosos”.

Por lo pronto chorros de dinero están fluyendo hacia los laboratorios. En 2017, los inversores de riesgo invirtieron aproximadamente US $ 241 millones en nuevas empresas que trabajan en hardware o software de computación cuántica en todo el mundo. China y Europa han lanzado iniciativas que rondan los US $ 1.100 millones de dólares)

No todo es color de rosa. Katia Moskvitch en un reportaje para Quanta Magazine presentó al matemático Gil Kalai, de la Universidad Hebrea de Jerusalén, como uno de los grandes escépticos de toda esta gran promesa tecnológica. Para él estamos ante un espejismo. Junto a otros teóricos, cree que existen buenas razones teóricas por las que las entrañas de una computadora cuántica (los "cubits") nunca podrán realizar la coreografía compleja que se les pide. Kalai ya intentado demostrar que la gran debilidad de los computadores cuánticos será “el ruido”, la producción de errores.

Como lo explicó Moskvith, “todos los sistemas físicos son ruidosos, y las interacciones con el mundo exterior inevitablemente corromperán los qubits mantenidos en superposiciones altamente sensibles. Derrotar el ruido no es solo una cuestión de ingeniería. Hacer esto violaría ciertos teoremas fundamentales de computación”. Kalai usa una sencilla analogía para explicarlo: “Si piensa en el proceso computacional como una sinfonía de Beethoven, el ruido nos permitirá escuchar solo los bajos, pero no los violonchelos, las violas y los violines”.

Ya veremos quién tiene la razón.

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