¿Qué es el cómputo cuántico? Baltazar Rodríguez, de IBM México, te lo explica

Baltazar Rodríguez es evangelizador tecnológico de IBM México y un experto en la transformación digital. Tiene más de 25 años de experiencia aplicando tecnologías de la información en los sectores de las telecomunicaciones, el gobierno, la industria financiera y el comercio electrónico. Fue responsable técnico del diseño y aplicación de la facturación electrónica en México, en un proceso que se inició en 2004 en el Servicio de Administración Tributaria (SAT). El siguiente texto corresponde a la transcripción y edición de la respuesta que dio a El Economista sobre el significado de la computación cuántica. Debido a su pertinencia, decidimos publicarla como un texto original de Baltazar Rodríguez.

¿Qué es el cómputo cuántico?

El computo cuántico aprovecha dos fenómenos que suceden en la materia a nivel cuántico, y con esto me quiero referir a niveles subatómicos, a nivel de partículas elementales de los átomos. A ese nivel el mundo reacciona de una manera anti intuitiva, con cosas tan extrañas como que una partícula puede estar en dos lugares al mismo tiempo. Estas son cosas que en el mundo en el que vivimos y con nuestros sentidos pueden sonar particularmente extrañas, si no es que imposibles. Y sí, así de extraño es el mundo subatómico, tan extraño que cuando empezamos a descubrirlo, mentes tan grandes como la de Albert Einstein caían en pánico y se negaban a aceptarlo pues esta nueva realidad atentaba contra todo lo que se conocía.

En particular hay dos características interesantes de la física cuántica que aprovechamos dentro del cómputo cuántico. Una es el concepto de lo que se llama superposición cuántica. En el caso de la informática, por ejemplo, un bit puede ser 0 o 1, es un estado discreto que no puede ser otra cosa más que 0 o 1 y sanseacabó. Es cierto o es falso, es 1 o es 0, no puede haber más.

En el caso del cómputo cuántico estamos aprovechando la superposición cuántica, que es la capacidad de una partícula de ser o 0 o 1 o 0 y 1 al mismo tiempo. De hecho, es un valor en un punto continuo entre 0 y 1, es un valor probabilístico. Esto quiere decir que de repente una partícula puede tener más allá de un valor y eso en sí es bastante importante, porque entonces estás incrementando la cantidad de estados posibles en la lógica cuando estás intentando resolver un problema de cómputo.

Sin embargo, se presenta un dilema: resulta ser que ese estado 0, 1 o un punto intermedio, en el momento en el que lo ves, en el momento en que volteas a verlo o que lo mides, en ese momento se convierte de un 0 en un 1, entonces ese tipo de estado extra de información que tenía se pierde. Podríamos decir entonces que ese estado extra de lógica resulta inútil, sin embargo, aquí es donde entra en juego el siguiente truco cuántico.

La segunda característica se llama enredo cuántico. La idea del enredo cuántico es que tú puedes tener dos partículas y tenerlas interrelacionadas de tal manera donde el estado de una determine automáticamente e instantáneamente el estado de la otra sin importar la distancia que existe entre ellas. Este es un concepto tan extraño como que, por ejemplo, vamos a decir que yo tengo dos partículas así, que están interrelacionadas; vamos a decir que cuando una es 0 la otra es 1. Ahora digamos que de repente me llevo una y digo: “A” es 0 y la otra por ende es 1 y si de repente separo esas partículas y ligo una automáticamente la otra va a tomar el valor que le corresponde y esto podría suceder de un lado a otro del universo.

Esto era una de las cosas que no le gustaban a Einstein, porque de repente lo que quiere decir esto es que la información puede viajar más rápido que la velocidad de la luz y para Einstein en el mundo relativista nada puede ser más rápido que la velocidad de la luz. Esto generaba mucho dolor de cabeza a los físicos.

Ahora bien, si juntamos ambas características de repente tenemos una máquina que presenta una capacidad muy curiosa: te permite realizar una multiplicidad de veces el mismo cálculo y medir todos los resultados al mismo tiempo.

Esto cuesta un poco de trabajo para visualizarlo, pero vamos a hacer el siguiente ejercicio mental: vamos a decir que saco yo cuatro cartas y las cuatro cartas las pongo boca abajo y una de esas cartas es el as de corazones y te digo a ti: —Necesitas encontrar el as de corazones, pero lo vas a hacer como lo hace una computadora clásica.

Como lo hace una computadora clásica es que voltea la primera carta y verifica si es un as de corazones o no. Si sí, perfecto, ya la encontré; si no, entonces pasa a la segunda carta, si no a la tercera o a la cuarta.

En ese ejercicio de cuatro cartas, en el mejor de los casos lo encuentras a la primera y en el peor de los casos lo encuentras a la cuarta. Ahora imagina que no son cuatro cartas, imagínate que son 400 o son 4 millones o 4 billones o 4 trillones de cartas. Entonces encontrar la carta adecuada, en un ejercicio de computo clásico, empieza a tomar muchísimo tiempo y para pasar por todas esas combinaciones.

Lo que hace la computadora cuántica a la hora de hacer todos esos cálculos en paralelo es que le pides encontrar la carta y, en lugar de ir una por una, voltea las cuatro cartas de una sola vez. Entonces en un único intento hace lo que el otro podría hacer en cuatro intentos en el peor de los casos y entre más es el número de combinaciones, más es el impacto de la velocidad que tiene. Con esto decimos que en los ejercicios combinatorios, el cómputo cuántico es exponencialmente más veloz que el computo clásico.

Al ser muy buena para encontrar una combinación vemos una gran cantidad de problemas que se resuelven encontrando una combinación adecuada, por ejemplo ¿cómo le hago para encontrar cuál es la mejor ruta para llegar a mi casa a la hora de la comida? Hay muchísimas combinaciones, hay muchísimas calles por las que podrías ir y cada una de esas calles en ese momento tiene una condición distinta de tráfico. Con todos esos datos, una computadora cuántica podría ver el problema e instantáneamente determinar cuál es la mejor ruta para llegar a tu casa, porque está evaluando la totalidad de las combinaciones de un solo golpe a diferencia de lo que hacemos hoy tan solo evaluando unas cuantas opciones.

Cuando queremos diseñar una medicina, la manera en la que una molécula interactúa con otra depende de sus propias características y normalmente lo que intentamos hacer, como no podemos hacerlo todo en el laboratorio, es simular la manera en que lo hace. Pero una molécula tan “mundana” como la de la cafeína es tan compleja que necesitaría todo el poder de cómputo de la tierra para intentar simular como funciona y aun así te tomaría varios años simularla.

Una computadora cuántica puede ver las distintas posibilidades y darte una respuesta muy rápido de cuáles serían las interacciones de una molécula y con eso podríamos diseñar nuevos materiales, nuevos fármacos, nuevos combustibles, encontrar la cura contra el cáncer. Es así de impactante lo que podemos hacer por esa capacidad de procesar en paralelo

¿Una computadora cuántica va a ser mejor para todo? No. Oye, quiero que mis videos en YouTube se van mejor, tengan mejor resolución, sean más rápidos. No, una computadora cuántica no te va a servir para eso. Pero en donde la tarea es escoger la combinación correcta entre miles o millones o centenares de millones de combinaciones distintas, ahí el cómputo cuántico se va a convertir en el mejor mecanismo para llegar y encontrar esa solución.

En la vida real esto significa que vamos a encontrar mejores curas para nuestras enfermedades en muchísimo menos tiempo y con muchísimo menos costo; que vamos a encontrar cuál es la manera más económica de mandar cosas de un punto a otro; que vamos a encontrar cuál es la ruta más rápida para llegar y pasar más tiempo con nuestros hijos; que vamos a poder diseñar materiales nuevos que van a tener la capacidad, por ejemplo, de ser tan duraderos y tan baratos como el plástico pero que a la vez sean biodegradables y no anden contaminando el medio ambiente, o que podamos pagar todas esas distintas combinaciones en un simulador cuántico, por ejemplo.

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