| Por Martín Kuffer |

Nos encontramos en medio de la Segunda Revolución Cuántica, en donde se están desarrollando técnicas para explotar sistemas cuánticos para la medición de alta sensibilidad, el procesamiento de la información y la comunicación cuántica. El procesamiento de la información utilizando sistemas cuánticos, o computación cuántica, promete ser profundamente disruptivo por su capacidad de resolver problemas computacionales imposibles utilizando computadoras normales: la llamada supremacía cuántica. Algunos de sus potenciales usos son emocionantes, como el estudio del folding de proteínas, mientras que otros, como la potencial destrucción de los algoritmos criptográficos modernos, son preocupantes. En cualquier caso, de cumplirse el sueño de la supremacía cuántica, podemos esperar que los impactos que las computadoras cuánticas tengan sobre la humanidad sean inmensos.

La definición de “computadora cuántica” es autoexplicativa. Una computadora cuántica es una computadora que es cuántica. Dar quizás una definición de computadora parece trivial, pero para nuestros fines alcanza definir una computadora como cualquier sistema físico utilizado para procesar información. Es decir, es un sistema en donde los estados físicos del sistema representan información, y tal que su evolución procesa la información codificada en el estado inicial. Una PC, una antigua calculadora mecánica e incluso un ábaco son ejemplos de sistemas físicos en donde distintos grados de libertad físicos son utilizados para codificar y procesar información. Por ejemplo, para realizar la operación 2+3=5 movemos bolitas en los rieles del ábaco, giramos los engranajes de la calculadora mecánica o movemos electrones en el silicio de nuestra laptop. En todos los casos estamos manipulando grados de libertad de un sistema físico de una forma que representa la operación matemática de la suma, el número 2 y el número 3. El resultado de dicha manipulación es un estado físico de nuestro sistema que representa al número 5, entonces decimos que la calculadora realizó 2+3=5. Una computadora cuántica es un sistema utilizado de esta forma, pero en donde los grados de libertad físicos utilizados presentan propiedades cuánticas.

Sin embargo, imagino que la mayoría de los lectores estarán a esta altura diciéndome: “Ahhh… claro… A todo esto, ¿qué es cuántico?”. La física cuántica es el modelo físico que describe el comportamiento de nuestro universo a escalas muy pequeñas y/o temperaturas muy bajas. No vamos a ver la física cuántica jamás viendo cómo ruedan bolitas, o cómo vuelan pájaros, o cómo orbitan planetas. Para ver a la cuántica tenemos que mirar los electrones de los átomos, o armar circuitos eléctricos con materiales superconductores, o construir redes ópticas por las que circulen pocos fotones (partículas de luz). La física cuántica es profundamente contraintuitiva, y por lo tanto no es mi objetivo que quienes lean este artículo salgan con un entendimiento profundo de esta. Sin embargo, para entender los posibles efectos de la computación cuántica, es suficiente saber que existen “efectos cuánticos” que ocurren en las escalas descritas por la mecánica cuántica, pero que no serán jamás observados en las escalas en las que nos manejamos en nuestro día a día. Por ejemplo, un gato cuántico puede estar vivo y muerto al mismo tiempo, una partícula nunca puede tener su posición y velocidad definidas simultáneamente, pueden aparecer y desaparecer partículas espontáneamente, y más. La única propiedad que es necesario saber a fines de este artículo es que la descripción brindada por la mecánica cuántica es probabilística. Es decir, el estado cuántico de una partícula puede ser “estar acá”, “estar allá”, o “estar acá con cierta probabilidad y allá con otra probabilidad”. Lo importante a fines de la computación cuántica es que una computadora cuántica es entonces un sistema físico utilizado para codificar y procesar la información, y tal que los grados de libertad utilizados para tal fin son descritos por la mecánica cuántica y, por lo tanto, presentan propiedades cuánticas.

La importancia de las computadoras cuánticas proviene del hecho de que estas propiedades cuánticas pueden explotarse para resolver ciertos problemas de forma mucho más eficiente que con una computadora clásica (es decir, una tal que sus grados de libertad no son cuánticos). Tal vez la eficiencia computacional no parezca de mayor importancia; sin embargo consideremos el ejemplo de la encriptación. La comunicación encriptada es vital para el mundo moderno: toda la comunicación moderna depende del hecho de poder comunicarse entre pares de forma segura. Sin ello el internet no podría jamás funcionar, ni podría existir la seguridad informática de que solo nosotros podemos acceder a nuestra cuenta de mail, nuestro homebanking y nuestros documentos guardados en la nube. Para que esto sea posible son esenciales los algoritmos criptográficos. A los fines de este trabajo alcanza con saber que estos algoritmos están basados en problemas matemáticos que son muy fáciles de crear pero muy difíciles de resolver. Entonces uno crea un problema en base a una solución predeterminada, y lo utiliza para esconder información. Cualquiera que sepa la respuesta puede recuperar la información, pero como el problema es en la práctica irresoluble, solo su creador, que conoce la clave, puede recuperar la información originalmente escondida. El punto clave es que la criptografía es esencial para que exista el sistema informático global al que estamos tan acostumbrados.

Con suficiente poder de cómputo es siempre posible romper un algoritmo criptográfico. Sin embargo no hay que temer, pues si una computadora normal de hoy en día intentase romper un algoritmo de encriptación típico, tardaría 22.000 veces la edad del universo en obtener la solución. Sin embargo sí hay que temer, pues una computadora cuántica lo suficientemente avanzada podría utilizar el algoritmo de Shor, diseñado por el matemático Peter Shor en 1994, para explotar los fenómenos cuánticos que ocurren dentro de una computadora cuántica para destruir esta encriptación en apenas 10 segundos. Esto demuestra que la explotación de los fenómenos cuánticos dentro de una computadora haría que múltiples problemas que hoy en día son “imposibles” por su costo computacional pasen a ser triviales de resolver.

Otro ejemplo es la simulación de sistemas cuánticos. No es difícil para una PC moderna simular un sistema físico clásico de miles de partículas. Sin embargo, el costo de simular un sistema cuántico crece exponencialmente con el tamaño del sistema, haciendo que simular un sistema cuántico con más que un par de partículas sea computacionalmente imposible. Sin embargo, una computadora cuántica podría simular un sistema cuántico con la misma facilidad con la que una computadora clásica simula bolas de billar. Pero ¿por qué nos interesaría simular un sistema cuántico? Por ejemplo, el folding de proteínas es un problema cuántico, y uno de vital importancia para el diseño de medicamentos y para el entendimiento de enfermedades neurodegenerativas. Otra aplicación posible sería en el estudio de reacciones químicas, pudiendo predecir y optimizar procesos como la producción de fertilizantes. También el desarrollo de materiales cuánticos para aplicaciones tecnológicas, como superconductores, sería muchísimo más fácil si la simulación de dinámicas cuánticas fuera accesible. El impacto económico de contar con la capacidad de simular a la naturaleza a escalas cuánticas sería, sin duda, inmenso.

Los lectores más ávidos de detalles se estarán preguntando: ¿pero cómo se hace una computadora cuántica? Para explicar cómo se construye un sistema cuántico que procese información, hay que introducir dos conceptos básicos: bits cuánticos (qubits) y compuertas cuánticas (o, simplemente, compuertas). Las computadoras clásicas modernas funcionan en base a los análogos clásicos de estas herramientas. En una computadora clásica existen estructuras en materiales semiconductores que codifican bits y compuertas clásicas. Un bit es un sistema físico con dos estados posibles, interpretados como codificando un 0 o un 1. Una compuerta es una interacción entre dos bits distintos, en los que el resultado depende del estado de ambos bits. Una computadora clásica se construye entonces organizando redes enormes de bits y compuertas clásicas.

Una computadora cuántica se construye usando el análogo cuántico de estas estructuras: un qubit es un sistema cuántico cuyos estados son 0, 1 o una superposición cuántica de ellos. Por ejemplo, un qubit puede estar en un estado que tiene probabilidad 0,25 de estar en 0 y 0,75 de estar en 1. La diferencia entre un qubit y un bit es entonces la capacidad de acceder a estados de superposición cuántica entre 0 y 1. Análogamente, una compuerta cuántica es una interacción entre dos qubits, y una computadora cuántica es una red de qubits y compuertas cuánticas.

Esto a muchos lectores los dejará, sin embargo, insatisfechos: sigo sin decir cómo se construye físicamente una computadora cuántica, simplemente moví la dificultad de “construir una computadora” a “construir qubits y compuertas”. Para estos lectores ahora voy a dar tres ejemplos de cómo construirlos: puntos cuánticos, computadoras fotónicas y qubits superconductores. El primer ejemplo es el más simple intuitivamente. Son estructuras en materiales semiconductores en donde se forman “pozos” en los que los electrones del material pueden quedar confinados. Estos pozos se comportan como átomos artificiales, en el sentido de que son tan pequeños que se forman niveles de energía discretos, y entonces no puede entrar en ellos más que un electrón. Los estados del qubit son entonces “hay un electrón” o “no hay un electrón”. Como los electrones son naturalmente entidades cuánticas, estos sistemas naturalmente presentan propiedades cuánticas. Para construir compuertas se utilizan dos fenómenos: el efecto túnel y la interacción electrostática. La interacción electrostática entre dos electrones genera que estos quieran estar separados entre sí, esto se representa en que dos puntos cuánticos cercanos interactúen, pues si en uno de ellos hay un electrón, la repulsión electrostática hará que meter otro electrón en el segundo punto sea más difícil. Esto genera una interacción efectiva que puede ser explotada para procesar información. El otro efecto explotado es el efecto túnel, un efecto cuántico que le permite a un electrón “saltar” de un punto cuántico a otro. Este efecto genera que si dos puntos cuánticos están en estados 0 y 1, pueden transicionar a estar en estados 1 y 0. Con estos dos efectos se pueden utilizar puntos cuánticos para construir qubits y compuertas basadas en electrones. También es posible utilizar otras propiedades cuánticas de los electrones en los puntos cuánticos, como su espín, para codificar la información. Aplicando voltajes a arreglos de puntos cuánticos, es posible controlar su interacción y programar la computadora. Un ejemplo de una computadora cuántica basada en puntos cuánticos es el chip Tunnel Falls de Intel.

El siguiente ejemplo es el uso de fotones individuales. Los fotones son partículas de luz, que, al igual que los electrones, se comportan naturalmente de forma cuántica. Para construir una computadora basada en fotones se construyen redes ópticas a través de las que circulan estas partículas, interactuando entre ellas. Para construir un qubit basado en fotones, alcanza con elegir distintos posibles estados del fotón y asignarles 0 y 1. Uno podría, por ejemplo, elegir que si el fotón es de un color sea 0 y si es de otro sea 1. O utilizar propiedades como la polarización que son conceptualmente menos intuitivos, pero ofrecen ventajas a la hora de construir la computadora. Las compuertas se construyen utilizando elementos ópticos que generan intercambio o interacción de estos fotones. El uso de fotones para construir qubits es de mucha importancia para el área de la comunicación cuántica y la eventual construcción de una “internet cuántica”. Ejemplos de computadoras fotónicas son la computadora Jiuzhang, en China, y la X-Series de Xanadu, en Canadá.

El último ejemplo que voy a presentar consiste en el uso de circuitos superconductores. La superconductividad es un estado de la materia (como sólido, líquido, gas, etc.) caracterizado por la total falta de resistencia a la corriente eléctrica. Es decir, un material superconductor puede conducir corriente eléctrica sin producir calor. La superconductividad es un estado cuántico de la materia, en la que sistemas macroscópicos ocupan estados cuánticos. Por lo tanto, es necesario llevar materiales a bajas temperaturas para alcanzar un estado superconductor: a presión atmosférica no se conocen superconductores a una temperatura mayor a -135°C. Para construir un qubit basado en superconductores se diseña un circuito eléctrico construido con materiales superconductores. Al ser la superconductividad un estado cuántico de la materia, estos circuitos presentan propiedades cuánticas. El objetivo luego es diseñar el circuito de forma tal que propiedades eléctricas, como carga acumulada en un punto, o corriente circulando por un anillo, codifiquen a los estados 0 y 1 de qubits, y que la evolución del circuito codifique las compuertas entre los qubits. Luego, aplicando voltajes o corrientes eléctricas, estos circuitos pueden ser controlados para implementar los algoritmos de la computadora cuántica. Ejemplos de computadoras cuánticas superconductoras son Q System One de IBM, y el procesador Sycamore de Google.

Ahora, si hay tanta tecnología desarrollada para la computación cuántica, y hay tantas aplicaciones en las que sería útil la supremacía cuántica… ¿por qué no la hemos alcanzado aún? La computación cuántica tiene un gran enemigo: la terrible decoherencia. Los fenómenos cuánticos son extremadamente frágiles ante interacciones con su entorno. Un sistema cuántico que interactúa con ruido generado por algún ambiente rápidamente pierde su “coherencia” y los fenómenos cuánticos desaparecen. Esto incluye, por ejemplo, ruido electromagnético hecho por instalaciones eléctricas, rayos cósmicos que atraviesan la muestra, incluso vibraciones en la computadora. Cuando un sistema cuántico pierde la coherencia, deja de ser posible observar propiedades cuánticas, y entonces desaparece la ventaja de las computadoras cuánticas sobre las clásicas. Es entonces necesario aislar lo mejor posible las computadoras cuánticas de cualquier posible fuente de ruido que destruya la coherencia cuántica. Eso no es, sin embargo, suficiente. También se están desarrollando métodos de “corrección de errores cuántica”, en la que se dedican recursos de la computadora a detectar y corregir los errores en la computación inducidos por este ruido. Sin embargo, es imposible detener completamente la decoherencia, y entonces esta limita el tamaño de las computadoras cuánticas, y la cantidad de operaciones que pueden tener los programas que estos utilizan antes de perder toda utilidad. Esta es una de las principales limitaciones que enfrentamos para alcanzar la supremacía cuántica.

Conclusiones

La computación cuántica aparece en el horizonte como un heraldo de tecnologías fantásticas y profundos riesgos. Hay múltiples potenciales tecnologías que están siendo desarrolladas para alcanzar la supremacía cuántica, sin embargo todas ellas deben primero superar los límites impuestos por la pérdida de coherencia antes de poder alcanzar la supremacía cuántica. Si bien estamos viendo la aparición de computadoras con más y más qubits, aún es imposible saber cuándo se alcanzará el sueño de una computadora cuántica que sea usada para entender el universo, diseñar medicamentos, o destruir la criptografía. Hasta entonces, estamos a la espera de los resultados de esta verdadera revolución cuántica.