Durante los últimos años, la computación cuántica ha crecido como un campo de investigación donde convergen la ciencia computacional, la física cuántica, la teoría de la información y ha despertado el interés de la industria y la comunidad científica alrededor del mundo.
Sin embargo, pese a ser una de las tendencias en auge desde 2023, la computación cuántica es una área que lleva al menos 30 años de desarrollo, ya que la primera propuesta para la implementación práctica de una computadora cuántica (QC) ocurrió en 1993.
Sus principales aplicaciones son el procesamiento paralelo y los cálculos complejos, así como la aceleración de la velocidad en el Machine Learning (ML) y la optimización y simulación de sistemas físicos, cuyos casos de uso pueden encontrarse en sectores tan diversos como el financiero o el químico.
Fundamentos de la computación cuántica
La unidad básica de la información cuántica es el bit cuántico o cúbit (qubit, en inglés). La información en un cúbit se almacena en un sistema cuántico de dos pasos. Una computadora cuántica posee miles de cúbits.
Otros conceptos fundamentales son:
- Puertas lógicas reversibles. La computación cuántica se basa en el descubrimiento de la reversibilidad del cálculo de la computación clásica que hizo Charles Bennett de IBM en 1973. Por ello, las computadoras reversibles requieren puertas lógicas que sean igualmente reversibles, es decir, aquellas en que, a partir del output (resultado), se reconstruye el input (entrada).
- Superposición. La existencia de los cúbits en múltiples estados simultáneos.
- Entrelazamiento. La conexión de los estados cuando dos o más cúbits se entrelazan, incluso cuando estén separados físicamente. De esta forma, cambiar el estado de un cúbit inmediatamente afecta el estado del otro, sin importar la distancia entre ellos.
- Decoherencia. La pérdida del estado cuántico en un bit, cuyo colapso puede ser provocado por factores ambientales, como la radiación.
El proceso de la computación cuántica
Para realizar cálculos cuánticos, una computadora debe contar con las siguientes condiciones básicas:
- Un sistema de dos niveles, como lo es un cúbit.
- La capacidad de preparar un cúbit en un estado dado (quantum state spaces).
- La capacidad de medir cada cúbit (quantum measurement).
- Construcción de operaciones básicas de compuertas.
- Suficiente tiempo de decoherencia largo.
Diferencias frente a la computación tradicional
La computación cuántica desafía el hecho de que, en última instancia, en la computación tradicional toda la información es física.
Las computadoras tradicionales usan bits —cuyos 0s y 1s se graban en un sistema físico, ya sea de papel o silicio— para almacenar y procesar información; los cúbits de las computadoras cuánticas existen en múltiples estados al mismo tiempo gracias a la superposición.
Así, mientras los bits clásicos pueden ser 0 ó 1, los cúbits pueden ser 0, 1 o una combinación de ambos al mismo tiempo.
Finalmente, los algoritmos de las computadoras cuánticas pueden resolver algunos tipos de problemas mucho más rápido que las computadoras clásicas, incluso factorizar números en algunos segundos que a una computadora tradicional le tomaría años. La complejidad cuántica es el estudio de los algoritmos en diferentes clases de complejidad según la “universalidad” de las Máquinas de Turing.
