Hacen realidad la computación cuántica, bit por qubit

YORKTOWN HEIGHTS, Nueva York — Con el anuncio de Google de un avance buscado desde hace mucho tiempo llamado “supremacía cuántica”, la computación cuántica, uno de los conceptos más llamativos y misteriosos de la ciencia moderna, ha dado un paso adelante. El logro podría presagiar una revolución en la manera en que pensamos, realizamos cálculos computacionales y guardamos datos.

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Ha pasado un siglo desde que los científicos descubrieron que, en la naturaleza, gobiernan la aleatoriedad y la incertidumbre, no se garantiza que las causas estén vinculadas a efectos, y un electrón puede estar en todas partes o en ninguna hasta que alguien lo mida. La mayoría de la tecnología moderna, desde transistores y láseres hasta los dispositivos que llevamos en nuestros bolsillos, opera con esta rareza cuántica.

Al explotar las propiedades de esa rareza, las computadoras cuánticas podrían hacer millonadas de cálculos de manera simultánea, suficientes para descifrar códigos hoy indescifrables y para resolver enigmas matemáticos previamente sin solución. Google informó que su dispositivo hizo uno de esos cálculos matemáticos en 3 minutos y 20 segundos.

Google, IBM y otras compañías construyen ahora versiones iniciales y las están poniendo en línea, donde casi cualquier persona puede poner a trabajar el reino cuántico.

Las computadoras comunes almacenan datos y realizan cálculos computacionales como una serie de bits que son ya sea 1 o 0. Una computadora cuántica usa qubits, que pueden ser 1 y 0 al mismo tiempo, al menos hasta que son medidos, momento en el que sus estados se vuelven definidos. Ocho bits forman un byte; la memoria operativa activa de un smartphone podría emplear 2 gigabytes, o dos veces 8 mil millones de bits. Eso es mucho, pero es eclipsado por la capacidad de unas cuantas docenas de qubits. Como cada qubit representa dos estados a la vez, el número total de estados se duplica con cada qubit añadido. Un qubit es dos números posibles, dos son cuatro números posibles, tres son ocho y así sucesivamente.

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“Imaginen que tuvieran 100 qubits perfectos”, dijo Dario Gil, director del laboratorio de investigación de IBM, en Yorktown Heights. “Necesitarían dedicar cada átomo del planeta Tierra para almacenar bits para describir ese estado de esa computadora cuántica. Para cuando tuvieran 280 qubits perfectos, necesitarían todos los átomos del universo para almacenar todos los ceros y unos”.

Un tour por la operación de IBM inició con una computadora cuántica, con sus entrañas al descubierto. Parecía como un pequeño árbol de Navidad invertido: una serie de plataformas de color dorado colgando una de otra, adornadas con chips, cables y tubos.

Cada computación cuántica comienza y termina con una serie de unos y ceros —bits clásicos— en lo alto de este ensamblaje. Esos bits son convertidos en pulsos de microondas y enviados a una serie de 50 pequeños dispositivos superconductores llamados “transmons” —los qubits— que cuelgan en la parte inferior. Los pulsos ponen a los qubits en un estado de incertidumbre entre uno y cero. Pulsos subsecuentes los manipulan. Al final, los qubits interfieren entre sí, produciendo una serie de salida de unos y ceros que es la respuesta. Esto sucede en una fracción de segundo.

En su propia sala estaba la cosa que trabajaba: la IBM Q System One. Estaba encerrada en un cubo de vidrio negro, tras haber sido puesta en línea en enero.

Las computadoras comunes son buenas para resolver problemas que pueden ser solucionados en una cantidad razonable de tiempo, como predecir el paso de un huracán. Muchos esquemas modernos de codificación dependen de la incapacidad para factorizar números grandes en una cantidad razonable de tiempo. En 1994, Peter Shor, entonces en Bell Labs, ideó un algoritmo que una computadora cuántica (entonces hipotética) podría usar para factorizar grandes números y, así, descifrar la mayoría de los códigos de ciberseguridad.

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En el 2012, John Preskill, físico en el Instituto Tecnológico de California, inventó el término “supremacía cuántica” para describir el potencial de las computadoras cuánticas para mejorar drásticamente el desempeño de las clásicas. Eso es lo que el equipo de Google dice que ha hecho con su computadora cuántica, llamada Sycamore, trabajando en un cálculo sumamente técnico diseñado en gran medida para demostrar que la supremacía cuántica es posible.

La Sycamore de Google tiene 53 qubits, igual que la nueva computadora de IBM. La Q System One, el cubo negro de IBM, sólo tiene 20. Se podrían requerir muchos cientos de qubits para almacenar sólo uno de los enormes números empleados en los códigos criptográficos. Se podrían necesitar millones de qubits para descifrar un código usando algoritmo de Shor.

Mientras tanto, dijo Preskill, “será divertido jugar con ellos y averiguar qué pueden hacer”.