Una revolución en proceso: Computación cuántica

La computación cuántica es un campo emergente que promete transformar la manera en que procesamos y comprendemos la información. Es diferente a la computación clásica basada en bits, este nuevo paradigma utiliza las leyes de la mecánica cuántica para mejorar exponencialmente el procesamiento de datos. En Alveritmos realizamos una, guía básica para comprender en que consisten estas diferencias, cuáles son las aplicaciones prácticas de la computación cuántica y cómo se puede aprender computación y otros datos interesantes.
Conceptos básicos de la computación cuántica

¿Qué son los qubits o cubit?
Los bits convencionales pueden tener un estado definido de 0 o 1, mientras que los qubits poseen la particularidad de estar en una superposición de ambos estados.
Esto implica que pueden representar tanto el 0 como el 1 al mismo tiempo, gracias a un fenómeno llamado superposición, explicado más adelante. Además, los qubits pueden estar entrelazados entre sí, lo que significa que el estado de uno puede influir instantáneamente en el estado del otro, incluso si están separados por distancias enormes, un fenómeno conocido como entrelazamiento cuántico.
¿Cómo se fabrica un qubits?
El procedimiento en términos simples es que se seleccionan dos orbitales que estén cerca, para que se conviertan en 0 y 1, los apuntamos con un láser especial para modificar su energía y adaptarlos a las características deseadas.
Existen distintas formas de realizar este proceso, una de ellas es a través de un dispositivo llamado CAVIDAD QED, en donde a través de reflejos de la luz se genera una resonancia que permite observar el estado de energía en el que está el átomo. Estos átomos son muy inestables, por lo que se ha trabajado en átomos artificiales que puedan controlar con mayor estabilidad.
El proceso está muy bien explicado en este video de Quantum Fracture, un excelente recurso para comprender estos conceptos algo abstractos.
Superposición y entrelazamiento cuántico
El poder de los qubits proviene de fenómenos cuánticos como la superposición, que permite múltiples cálculos a la vez, y el entrelazamiento, que entrelaza estados cuánticos de dos o más qubits de tal forma que el estado de uno depende instantáneamente del otro, sin importar la distancia física entre ellos.
Computación cuántica: ¿Para qué sirve? Diferencias con computadoras tradicionales
Las computadoras tradicionales usan bits y lógica booleana para procesar información de forma secuencial, mientras que las computadoras cuánticas aprovechan la superposición y entrelazamiento para realizar múltiples operaciones de forma paralela, aumentando la capacidad y velocidad de cálculo significativamente.
Aplicaciones potenciales
La computación cuántica está diseñada especialmente para resolver problemas complejos, por lo que tiene el potencial de impactar en diversos campos como:
- Simulación molecular: La capacidad de simular reacciones químicas a nivel molecular es extremadamente beneficiosa para avanzar en la investigación y desarrollo de medicamentos, materiales y tecnologías innovadoras.
- Medicina: Optimizar el diseño de nuevos fármacos y comprender mejor la biología molecular.
- Finanzas: Analizar mercados y manejar riesgos a través de simulaciones complejas.
- Computación cuántica e Inteligencia artificial: Mejora el aprendizaje automático y el desarrollo de algoritmos más eficientes.
- Ciencia de materiales: Diseñar nuevos materiales y comprender las propiedades de la materia a nivel cuántico.
- Criptografía: Romper sistemas de cifrado actuales y desarrollar nuevos métodos criptográficos resistentes a ataques cuánticos.
De acuerdo a Patricia García Garrido, responsable de Quantum, Data & Artificial Inteligence en Kyndryl, devela que “las principales aplicaciones de la computación cuántica serán en el sector financiero, sector de seguros, energéticas, logística, sector aeroespacial, salud, medicina personalizada, estudio del universo y aplicaciones de detección de riesgos, entre otros que se involucran entre sí de forma transversal”
Desafíos de la computación cuántica
- Control de errores: Los qubits son extremadamente susceptibles a interferencias, lo que hace difícil mantener su estado coherente.
- Escalabilidad: Aumentar el número de qubits de manera eficiente es un reto enorme debido a su complejidad y requerimientos de entrelazamiento.
- Software: Falta desarrollo de software y algoritmos específicos que aprovechen plenamente la computación cuántica.
¿Cómo aprender computación cuántica?
De acuerdo a la Documentación de Queantum de Microsoft para aprender a programar computadoras cuánticas, se utilizan los lenguajes de programación como Python y Q#
En este programa se ofrece un simulador para programación cuántica en donde es posible practicar este estilo de programación. Adicionalmente, Microsoft ofrece un Plan de estudios universitario pago, en donde es posible acceder a gran cantidad de recursos para especializarse en computación cuántica.
Estado actual de la investigación y desarrollo
Aunque aún estamos en las etapas iniciales de la investigación y desarrollo en computación cuántica, ya se han logrado avances significativos. En el año 2019, Google informó que había logrado un hito importante en el campo de la computación cuántica, conocido como “supremacía cuántica”. Esto significa que su computadora cuántica realizó un cálculo en tan solo 200 segundos, un proceso que llevaría años completar para una computadora convencional.
Además, empresas como IBM, Microsoft y Amazon están invirtiendo en la construcción de computadoras cuánticas comerciales. Sin embargo, aún quedan muchos desafíos por superar antes de que la computación cuántica pueda ser una realidad ampliamente disponible. Se necesita más investigación en el control de errores y la escalabilidad, así como un mayor desarrollo de software y algoritmos específicos para aplicaciones prácticas.
Del mismo modo, diversas empresas y entidades gubernamentales están invirtiendo en la investigación y el desarrollo en el campo de la computación cuántica, como IBM, Google, y Microsoft. Ya se han logrado avances como la demostración de la supremacía cuántica, aunque aún estamos en las etapas iniciales de esta tecnología.
Perspectiva sobre el futuro
La computación cuántica tiene el potencial de impactar todos los aspectos de nuestra sociedad, desde la ciencia y la medicina hasta la seguridad y la comunicación. A medida que esta tecnología madura, podemos esperar descubrimientos revolucionarios y una nueva ola de avances tecnológicos capaces de resolver problemas que hoy son inabordables para las computadoras clásicas.
En resumen, la computación cuántica es un área de rápido crecimiento que ofrece posibilidades emocionantes para el futuro. Aunque existen significativos obstáculos técnicos y teóricos, el progreso continuo y la colaboración global apuntan hacia una era en la que la computación cuántica será parte integral de nuestra vida cotidiana.
Referencias
- Aguado, R., & Kouwenhoven, L. P. (2020). Majorana qubits for topological quantum computing. Physics Today, 73(6), 44–50. https://doi.org/10.1063/pt.3.4499
- Blais, A., Huang, R., Wallraff, A., Girvin, S. M., & Schoelkopf, R. (2004). Cavity quantum electrodynamics for superconducting electrical circuits: An architecture for quantum computation. Physical Review A, 69(6). https://doi.org/10.1103/physreva.69.062320
- Gu, X., Kockum, A. F., Miranowicz, A., Liu, Y., & Nori, F. (2017). Microwave photonics with superconducting quantum circuits. Physics Reports, 718-719, 1-102. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2017.10.002
- SoniaLopezBravo. (n.d.). Descripción de la computación cuántica – Azure Quantum. Microsoft Learn. https://learn.microsoft.com/es-es/azure/quantum/overview-understanding-quantum-computing