Ordenadores cuánticos: qué son, para qué sirven y por qué no pueden equivocarse

Tras el anuncio de IBM de la construcción de IBM Quantum Starling, un ambicioso proyecto con el que busca desarrollar el primer superordenador cuántico a gran escala y tolerante a fallos del mundo, es conveniente realizar un recorrido por esta tecnología. La computación cuántica está muy alejada de la sociedad, apenas se conoce para qué sirve y nadie entiende qué puede aportar esto al futuro. Spoiler: no es un ordenador para tener en casa.

Un ordenador cuántico es una estructura compleja con sistemas criogénicos y electrónica de precisión, diseñada para mantener los frágiles estados cuánticos de los cúbits. Su apariencia dista mucho de los ordenadores convencionales porque dan prioridad el control ambiental. Necesitan mucho frío.

No tienen memoria RAM, disco duro ni tarjeta gráfica, tampoco teclado, ratón o pantalla. La experiencia de usuario a la que tanto tiempo dedicó Bill Atkinson queda reducida a la nada. Los cúbits se manipulan mediante señales de microondas transmitidas por decenas de conectores coaxiales que rodean el chip. En sistemas los de Intel o IBM el chip se monta en una placa base especial dentro de un entorno criogénico con condiciones de vacío y temperaturas cercanas al cero absoluto (-273 °C).

No tienen memoria RAM, disco duro ni tarjeta gráfica, tampoco teclado, ratón o pantalla

Los ordenadores cuánticos suelen organizarse en módulos verticales. Tienen diferentes niveles de refrigeración que reducen gradualmente la temperatura hasta alcanzar la requerida por el procesador. También cuentan con cables y tuberías con conectores coaxiales que transmiten señales al procesador, mientras que por las tuberías circulan refrigerantes como nitrógeno y helio líquidos.

Por dentro, son dispositivos que utilizan los principios de la mecánica cuántica para procesar información de una manera radicalmente distinta a los ordenadores tradicionales. Mientras que los ordenadores clásicos emplean bits, que solo pueden tener el valor de 0 o 1, los ordenadores cuánticos utilizan cúbits, que pueden estar en 0, 1 o en ambos estados al mismo tiempo gracias a la superposición cuántica. Además, los cúbits pueden estar entrelazados, lo que permite que el estado de uno dependa del estado de otro, multiplicando la capacidad de procesamiento de estos sistemas.

Con suficientes cúbits, un ordenador cuántico puede procesar enormes cantidades de información simultáneamente

Esta tecnología permite realizar cálculos en paralelo y resolver problemas que serían inabordables para los ordenadores clásicos. Por ejemplo, con suficientes cúbits, un ordenador cuántico puede procesar enormes cantidades de información simultáneamente, lo que resulta especialmente útil en campos como la simulación de materiales, la química, la optimización de procesos, la inteligencia artificial y la criptografía.

A medida que la tecnología avance, se espera que los ordenadores cuánticos tengan un impacto trascendental en la sociedad que, casualmente, se encontrará ligado al desarrollo de la inteligencia artificial generativa. Podrán acelerar el desarrollo de nuevos medicamentos al simular moléculas complejas, optimizar cadenas de suministro y sistemas logísticos, mejorar la inteligencia artificial y revolucionar la ciberseguridad mediante nuevos métodos de cifrado y comunicación segura. Además, se prevé que su uso se democratice a través de servicios en la nube para que empresas y centros de investigación accedan a su potencia sin necesidad de tener el hardware.

Ventajas de la computación cuántica

• Capacidad de procesamiento exponencialmente superior en ciertos problemas específicos.

• Posibilidad de resolver problemas intratables para la informática clásica, como la simulación de moléculas complejas o la optimización global.

• Reducción del consumo energético en comparación con los superordenadores actuales.

• Impulso a la inteligencia artificial y el análisis de grandes volúmenes de datos.

Inconvenientes de la computación cuántica

• Fragilidad de los cúbits, que requieren condiciones extremas de aislamiento y temperaturas cercanas al cero absoluto.

• Dificultad para escalar la tecnología y construir ordenadores cuánticos con millones de cúbits.

• Coste elevado y complejidad técnica en el desarrollo y mantenimiento de estos sistemas.

• Amenaza a la seguridad de los sistemas de cifrado actuales, lo que obliga a desarrollar nuevas soluciones de ciberseguridad.

• Resultados probabilísticos y necesidad de algoritmos específicos para obtener respuestas fiables.

El desarrollo de la computación cuántica está protagonizado por varios gigantes tecnológicos y empresas especializadas, cada una con hitos y arquitecturas propias.

IBM, Google...

El IBM Quantum Starling está previsto para 2029, este ordenador cuántico tendrá 200 cúbits lógicos tolerantes a fallos, capaces de ejecutar 100 millones de operaciones cuánticas. Utiliza corrección de errores avanzada y representa un salto hacia la computación cuántica a gran escala, con una capacidad de procesamiento inalcanzable para los superordenadores clásicos actuales.

IBM también ha presentado el IBM Condor (2023) con 1.121 cúbits físicos e IBM Heron con un procesador de 133 cúbits con baja tasa de errores.

Atom Computing ha presentado uno de los ordenadores cuánticos más avanzados que supera los 1.000 cúbits. Utiliza átomos de iterbio manipulados con láseres, lo que facilita la estabilidad y medición de los cúbits.

Google lidera la investigación con Google Quantum AI

Google lidera la investigación con Google Quantum AI, un ordenador cuántico de 105 cúbits que ha realizado importantes avances en corrección de errores.

D-Wave se especializa en ordenadores cuánticos de temple cuántico, una técnica utilizada en este tipo de computación para resolver problemas de optimización, es decir, para encontrar la mejor solución posible entre muchas opciones. Su sistema Advantage2, de sexta generación, ya está disponible comercialmente y supera los 4.400 cúbits.