Las primeras computadoras eran gigantescas, ocupaban grandes habitaciones y pesaban varias toneladas. Hasta que se inventó el transistor que remplazó a los tubos de vacío y ayudó a que las computadoras se reduzcan de tamaño hasta caber el bolsillo (o en la muñeca).
El tamaño de los transistores se ha reducido tanto que actualmente en el grosor de un cabello humano (no en el largo) caben 10 mil, y un procesador actual tiene un promedio de 50 mil millones de transistores.
¿Hay un límite para reducirlos? Sí, el átomo. Porque dentro del átomo entramos al mundo cuántico. Y en el mundo cuántico todo funciona muy diferente a lo que conocemos. ¿Quieres aprender qué es la computación cuántica? Lee este blog, porque tu sabes que la tecnología es fácil en EDteam.
1. De la física clásica a la física cuántica
Nuestro mundo está gobernado por las leyes de la física. Estas son capaces de explicar cuánto tardará en caer al piso una pelota lanzada hacia arriba, cuánto tardará un avión en llegar a su destino e incluso el movimiento de los planetas. Es por eso que decimos que la física es determinista porque gracias a sus leyes puede “determinar” lo que sucederá con un cuerpo.
Sin embargo, a finales del siglo XIX ocurrió una catástrofe para la física, puesto que se descubrió un fenómeno imposible de explicar con sus leyes. A este fenómeno terrible para la física se le conoce como La catástrofe ultravioleta.
Resumiendo, la catástrofe ultravioleta consiste en que, si las teorías de la física fueran ciertas, todos los cuerpos emitirían una gran cantidad de radiación ultravioleta que podría hasta matarnos. Sobre todo, los objetos calientes. Pero en la vida real nadie ha muerto de radiación ultravioleta por tomar un café.
Muchos científicos intentaron explicar este fenómeno, pero nadie lo logró. Así que en el año 1900, Max Planck, pensó que puesto que la catástrofe ultravioleta se saltaba las leyes de la física, él también se las saltaría para inventarse (sí, inventarse) una solución.
Esta solución, que rompía las leyes de la física, era la única manera de resolver la catástrofe ultravioleta y propone que la energía no es continua, sino que toma valores específicos llamados cuantos (recuerda esta palabra) y va brincando entre ellos.
Te lo explico con este ejemplo: para que el agua hierva debe alcanzar los 100 grados centígrados, lo que implica que debe pasar por todas las temperaturas intermedias desde su temperatura inicial hasta los 100 grados. Esto es muy obvio, pero lo que sugería Planck era como si el agua tuviera 20 grados, en un rato 40, luego 60, luego 80 y finalmente 100. En brincos, sin pasar por los estados intermedios. De locos.
Estos cuantos de Planck dieron inicio a la física cuántica.
2. El mundo cuántico
Aunque al parecer Plank se inventó una solución, experimentos posteriores (como el del efecto fotoeléctrico de Albert Einstein) demostraron que tenía razón, puesto que había partes de la física que no cumplían con las leyes tradicionales.
En 1913, Niels Bohr propuso el modelo atómico que seguro te enseñaron en la escuela: electrones girando en órbitas con una energía específica o cuantificadas.
Pero aquí está lo sorprendente: los electrones pueden subir o bajar de orbital, absorbiendo o liberando energía. Es como si subieras del piso 1 al 2 de un edificio sin usar las escaleras, teletrasportándote. Como la tetera brincando de temperatura ¡Exactamente lo que propuso Planck!
Estos descubrimientos dieron inicio a una serie de experimentos para entender el mundo subatómico (el mundo cuántico) y los hallazgos fueron sorprendentes. Los principales son los siguientes:
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Superposición. En nuestro mundo un gato está vivo o está muerto. Pero en el mundo cuántico el gato puede estar vivo o muerto a la vez.
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Entrelazamiento. Dos partículas cuánticas pueden conectar sus estados, aunque estén separadas por grandes distancias (incluso en otra galaxia). Es como si tuvieras un alma gemela en otro continente que sonríe cuando tú sonríes o siente hambre cuando tú sientes hambre. Si te resistes a creerlo no estás solo, Einstein no aceptaba el entrelazamiento y solía llamarlo “acción fantasmagórica a distancia”.
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Interferencia. Varias partículas pueden juntarse y combinarse cambiando el estado de la partícula resultante. Como la fusión de Goku y Vegeta. Pero no tenemos que irnos tan lejos, las olas del mar son un ejemplo de interferencia, pues se unen y combinan sus estados.
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Principio de incertidumbre de Heisenberg que dice que no se puede saber exactamente el estado de una partícula en un momento determinado, ya que al intentar medirlo, lo modificamos.
El gato de Schrödinger es un famoso experimento mental que explica estos principios. Imagina un gato dentro de una caja cerrada. Dentro hay un dispositivo que puede liberar un veneno que mataría al gato. Si el veneno se libera o no, depende del estado de una partícula subatómica, pero, puesto que una partícula subatómica puede superponer sus estados, el gato está vivo y muerto a la vez.
Ahora supón que quieres saber el estado del gato en un momento determinado: tendrías que abrir la caja. Así que lo que encuentres (gato vivo o muerto) depende de que abras o no la caja. O sea, que medir el estado del gato, a la vez lo modifica.
3. La computación cuántica y el cubit
En 1980, cuando empezaban a aparecer las computadoras personales y no existía la interfaz gráfica, empezó la computación cuántica.
Ese año, Paul Benioff propuso un modelo cuántico de la famosa máquina de Turing (la cual ya te explicamos en este video) que, a diferencia del bit, usa un bit cuántico, o cubit (recuerda este término porque es muy importante).
Al año siguiente, Richard Feynman publicó el artículo “Simulating Physics with Computers” en el que propone a la comunidad científica desarrollar computadoras cuánticas, pues las computadoras tradicionales no eran capaces de simular y estudiar los fenómenos del mundo subatómico.
Esto dio inicio a décadas de investigación para crear computadoras que funcionen con las leyes del mundo cuántico, lo que implicaba comenzar su desarrollo e investigación desde cero. Este proceso tomó décadas.
Para que entiendas la diferencia entre una computadora cuántica y una binaria, recuerda que en la binaria la unidad es el bit que puede tomar solo dos valores: cero y uno. Pero el cubit sigue las mágicas leyes del mundo cuántico, donde nada es lo que parece.
Las principales leyes cuánticas del cubit son:
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Superposición. Un cubit puede ser uno o cero. Pero también uno y cero a la vez o cualquier valor intermedio entre cero y uno. Supongamos que un bit es una moneda que puede mostrar cara o sello, entonces un cubit es una moneda girando a mucha velocidad, con lo cual muestra cara y sello a la vez. Y puesto que un cubit puede tomar múltiples valores, pueden hacerse millones de veces más operaciones que con bits ya serían simultáneas, sin el problema de los hilos que implica esperar a que un proceso termine para iniciar el siguiente.
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Entrelazamiento. Dos cubits o más pueden conectar sus estados y que cuando uno cambie, comunique esos cambios a otros cubits para que cambien a su vez. Es como tener a muchas computadoras trabajando en paralelo. Y si a esto le sumamos la superposición, el aumento de velocidad es exponencial frente a la computación binaria.
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Interferencia. Un cubit puede interferir en el estado de otro potenciándolo o anulándolo. Controlar la interferencia es uno de los retos más duros de la computación cuántica para no obtener datos erróneos. Por eso, las computadoras cuánticas deben estar en el cero absoluto (273 grados bajo cero) y no se ven como una computadora tradicional, sino así:
4. ¿Cómo se programa en las computadoras cuánticas?
Seguro te preguntas si el código que escribes para una computadora binaria funciona en una cuántica y la respuesta es que no. Una computadora cuántica no es una versión más veloz que una tradicional, sino una máquina con una arquitectura completamente diferente. De hecho, sus compuertas lógicas ya no son AND, OR o NOT sino la de Pauli, Hadamard CNOT y otras. Y no devuelven un valor, sino una matriz de valores (¿te acuerdas de la superposición y el entrelazamiento?).
Pero, empresas como IBM, Google y Microsoft se han preocupado por ti, programador binario para que puedas convertirte en programador cuántico con los siguientes kits de desarrollo:
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Cirq es un framework Open Source de Google para la computación cuántica y basado en Python. Así se ve el código en Cirq:
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Qiskit es un kit de desarrollo de IBM también basado en Python. Y así se ve el código:
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Q# que es parte del Quantum Development Kit (QDK) de Microsoft y que obviamente está basado en C# y .NET y así se ve el código:
5. Evolución de la computación cuántica
La historia de la computación cuántica se remonta a más de 100 años atrás. Así que hemos preparado esta línea de tiempo para que no te pierdas:
- 1-. En 1900, Max Planck resuelve la catástrofe ultravioleta inventándose los cuantos, unidades de medida que en lugar de cambiar gradualmente lo hacían en brincos.
- 2-. En 1913 Niels Bohr propone un modelo atómico que dice que los electrones giran alrededor del nucleo en orbitas y puede saltar entre ellas por brincos (teletransportándose).
- 3-. En 1927 se publica el principio de la incertidumbre de Heisenberg que dice que no podemos conocer exactamente el estado de una partícula cuántica en un momento determinado.
- 4-. En 1980 Paul Benioff presenta el concepto de una máquina de Turing cuántica que usa bits cuánticos (cubits) en lugar de bits.
- 5-. En 1981, Richard Feynman propone construir computadoras cuánticas para simular y estudiar los fenómenos cuánticos. Este suceso da inicio oficial a la computación cuántica.
- 6-. En 1992 se presenta el primer algoritmo cuántico, el de Deutsch-Jozsa que demostraba que la computación cuántica podía hacer cálculos mucho más veloces que la computación binaria.
- 7-. En 1994 se presenta el famoso algoritmo cuántico de Shor, que puede romper cualquier encriptación, incluso las más poderosas.
- 8-. En 1994 también se presenta el algoritmo cuántico de Grover que puede hacer búsquedas en bases de datos con mayor velocidad que la computación binaria.
- 9-. En 1998 se prueba la primera computadora cuántica, tenía dos cubits y era aún experimental.
- 10-. En 1999 se funda D-wave Systems
- 11-. En 2011, D-wave lanza la primera computadora cuántica comercial: la D-Wave One.
- 12-. En 2016, IBM introduce la computación cuántica en su nube IBM-Cloud
- 13-. En 2019, Google anuncia que alcanzaron la supremacía cuántica con su computadora Sycamore, que podía realizar en 200 segundos un cálculo que a una supercomputadora le tomaría 10 mil años. Aunque IBM dijo que no tardaría 10 mil años, sino dos días y medio.
- 14-. En 2021, en IBM, dijeron que ellos sí la alcanzaron con su computadora Eagle. Como referencia, dijeron que se necesita una computadora del tamaño de todo el planeta tierra para alcanzar el poder de Eagle.
6. ¿Computación cuántica en el bolsillo?
Como dije al comienzo, las primeras computadoras eran gigantescas y ahora caben en el bolsillo. Tuvieron que pasar décadas de investigación para encontrar mejores materiales y tecnologías que ayuden a reducir los componentes. Un camino similar sigue la computación cuántica, pues son computadoras gigantescas que poco a poco van reduciendo su tamaño gracias al descubrimiento de nuevas formas y materiales para crear cubits.
Uno de los principales retos es mantener la temperatura en el cero absoluto (273 grados centígrados bajo cero) para controlar la interferencia. Pero se han descubierto tipos de diamantes que pueden controlar la interferencia a temperatura ambiente. Así que, ¿en un futuro tendremos celulares cuánticos que puedan romper cualquier contraseña y sistema de seguridad mundial con un click?
Probablemente sí, en veinte o treinta años, quizás. Pero para entonces no podrás romper ningún sistema de seguridad porque usarán algoritmos cuánticos de seguridad. ¿Tú qué pensabas?
Espero que con este blog hayas aprendido de una vez por todas que es la computación cuántica. Si quieres ampliar esta información, puedes ver nuestro video en Youtube. Y si no lo sabías, #LoAprendisteEnEDteam.