Los 5 mitos y verdades sobre las computadoras cuánticas

En octubre de 2019, la computación cuántica acaparó durante varios días titulares de noticias en todo el mundo. Un equipo de investigadores del gigante tecnológico Google había conseguido alcanzar la supremacía cuántica, venciendo a las supercomputadoras más grandes del planeta con una computadora cuántica.

No solo eso, sino que la diferencia de tiempos resultaba sencillamente apabullante: unos pocos minutos frente a los miles de años necesarios para realizar el mismo cálculo con una computadora tradicional.

Decenas de artículos y reportajes en prensa, radio y televisión se hicieron eco de este hito histórico e intentaron explicar al público no especializado en qué consistía realmente el logro de Google y qué eran esas misteriosas computadoras cuánticas que se habían utilizado para conseguirlo. Pese a su buena intención, la mayor parte de estas explicaciones deben haber sembrado más dudas que las que consiguieron aclarar.

Nada de magia ni fantásticos superpoderes

En los artículos de divulgación sobre computación cuántica es habitual encontrar una serie de analogías e imágenes recurrentes que no se corresponden con la realidad y que contribuyen a crear falsos mitos alrededor de las verdaderas capacidades de las computadoras cuánticas.

Una de las más repetidas es aquella de que “una computadora cuántica encuentra la solución a un problema probando simultáneamente todas las opciones posibles”. Esta explicación no simplifica en demasía el funcionamiento de las computadoras cuánticas. Más bien parece dotarlas de fantásticos superpoderes mediante los que completar cualquier cálculo es cuestión de pulsar un botón y esperar unos pocos segundos.

Pero, entonces, ¿no es cierto que una computadora cuántica usa un paralelismo masivo para explorar, al mismo tiempo, todas las soluciones de un problema?

En octubre de 2019, la computación cuántica acaparó durante varios días titulares de noticias en todo el mundo. Un equipo de investigadores del gigante tecnológico Google había conseguido alcanzar la supremacía cuántica, venciendo a las supercomputadoras más grandes del planeta con una computadora cuántica.

Coreografía matemática

Podríamos definir la computación cuántica como la disciplina que estudia el uso de las propiedades de las partículas subatómicas para realizar cálculos. Entre estas propiedades se encuentra, sí, la superposición, pero también el entrelazamiento y la interferencia.

En cierta forma, podríamos decir que un algoritmo cuántico primero crea una superposición de muchas posibilidades a explorar, luego entrelaza estas posibilidades con sus resultados y, finalmente, consigue que las soluciones malas interfieran entre sí para que solo sobrevivan aquellas que nos interesan.

Esta fase de aniquilar opciones desfavorables es la parte más difícil y delicada de todo el proceso. Se trata de una especie de compleja coreografía matemática, por usar las palabras de Scott Aaronson y Zach Weinersmith, que solo sabemos llevar a cabo en algunos problemas concretos.

Es más, hace tiempo que se ha demostrado que en determinadas tareas no es posible aprovechar la computación cuántica para conseguir acelerar los cálculos con respecto a las computadoras tradicionales. Una computadora cuántica no es, por tanto, ese dispositivo mágico capaz de resolver al instante cualquier problema que a veces nos quiere vender la prensa sensacionalista. Pero tampoco es, simplemente, una computadora más rápida.

No solo más rápidas

Otra de las falacias que es habitual encontrar en los artículos populares sobre computadoras cuánticas es la reducción de todas sus capacidades a un mero incremento de velocidad. He perdido la cuenta de la cantidad de ocasiones en las que me he encontrado explicaciones como “científicos desarrollan una computadora cuántica un millón de veces más rápida que las computadoras tradicionales”. Por llamativas que puedan resultar estas afirmaciones, son totalmente erróneas.

Estamos acostumbrados a que, cada pocos meses, los grandes fabricantes de microchips anuncien nuevos desarrollos que consiguen ser un veinte, un treinta o un cincuenta por ciento más veloces que sus predecesores. Pero una computadora cuántica no basa su funcionamiento en un simple avance en la tecnología que permita hacer las mismas operaciones de forma más rápida.

Por un lado, es posible que para algunas tareas una computadora cuántica no supere en velocidad a una computadora clásica. Pero es que en los casos en los que una computadora cuántica ofrece una ventaja sobre los dispositivos tradicionales, las diferencias no se pueden medir con un único número.

Una computadora cuántica ejecuta algoritmos radicalmente diferentes de los que usa una computadora clásica. Esto hace que la ventaja del dispositivo cuántico crezca más cuanto más grande sea el tamaño del problema que queremos resolver. Por ejemplo, para problemas de búsqueda en listas, una computadora cuántica será cinco veces más rápida que una tradicional con cien datos, cincuenta veces más rápido con diez mil elementos y quinientas veces más rápido con un millón de registros.

Aplicaciones

Es precisamente este aumento de la ventaja de las computadoras cuánticas al crecer el tamaño de los datos a procesar lo que las hace especialmente atractivas a la hora de abordar problemas que son intratables con computadoras tradicionales. Es el caso de tareas como encontrar los factores de números enteros muy grandes, en cuya dificultad se basa la seguridad de muchos de los protocolos de cifrado que se usan en nuestras comunicaciones digitales.

El tiempo necesario para resolver este problema utilizando los mejores algoritmos clásicos disponibles crece casi exponencialmente con la longitud de los números, por lo que aumentar en unas pocas decenas de bits el tamaño de una clave la haría millones de veces más segura.

Sin embargo, el matemático Peter Shor demostró hace más de veinte años que romper este tipo de cifrado sería viable en la práctica si se usaran algoritmos cuánticos. La criptografía no es el único campo en el que las computadoras cuánticas pueden ofrecer una gran ventaja con respecto a la computación tradicional.

Por ejemplo, la simulación de nuevos materiales o el estudio de compuestos químicos son dos de las aplicaciones más prometedoras de la computación cuántica. Se trata, nuevamente, de tareas extremadamente difíciles para las computadoras clásicas, porque el número de parámetros que describen el comportamiento de los sistemas físicos y químicos crece exponencialmente con la cantidad de partículas que los componen.

Pero las propiedades cuánticas de este tipo de sistemas hacen que su simulación con computadoras cuánticas resulte natural, como señaló el físico Richard Feynman incluso antes de que la computación cuántica existiera como disciplina científica. Así, son muchos los investigadores que en los últimos años han desarrollado algoritmos específicamente pensados para estudiar propiedades de moléculas químicas mediante ordenadores cuánticos.

Uno de los más famosos es el llamado Variational Quantum Eigensolver (VQE), que presenta la particularidad de poder ser usado incluso con las computadoras cuánticas pequeñas y sensibles al ruido de los que disponemos hoy en día. Con este método, se ha conseguido simular en hardware cuántico real algunas moléculas de tamaño reducido, alcanzando una precisión equivalente a la de los cálculos clásicos.

Aunque aún estamos lejos de superar a las computadoras tradicionales en esta tarea, el ritmo de crecimiento de las capacidades de las computadoras cuánticas y las mejoras en los algoritmos que se utilizan nos hacen suponer que posiblemente esta sea una de las primeras aplicaciones prácticas de la tecnología.

Computación cuántica e inteligencia artificial

Otros campos en los que la investigación de las aplicaciones de la computación cuántica es especialmente intensa en la actualidad son la inteligencia artificial y la optimización. En concreto, son varios los algoritmos cuánticos que se han propuesto para acelerar las tareas implicadas en el entrenamiento de modelos de machine learning a partir de grandes colecciones de datos.

En algunos casos, con técnicas parecidas a las empleadas por Shor en el desarrollo de su algoritmo de factorización, se consigue una ganancia exponencial con respecto al correspondiente método clásico. Sin embargo, puesto que debemos trasladar uno a uno los datos a la computadora cuántica desde los archivos en que se almacenan, el cuello de botella se encontraría no en el procesamiento de la información, sino en la lectura de la misma.

Posibles soluciones serían el uso de datos captados directamente con sensores cuánticos, lo que evitaría tener que cargarlos desde un dispositivo externo, y el desarrollo de memorias cuánticas que permitan leer datos en superposición. Además del estudio de técnicas para acelerar los procesos del aprendizaje automático clásico, también se investigan modelos puramente cuánticos como, por ejemplo, las llamadas redes neuronales cuánticas.

Puesto que estas propuestas son relativamente recientes, no se conocen aún todas sus capacidades, pero se dispone de evidencias que muestran que su rendimiento es superior al de los métodos clásicos con ciertos conjuntos de datos creados de forma artificial.

Como bien ha señalado John Preskill, uno de los mayores expertos en computación cuántica del mundo, del mismo modo que las aplicaciones de las redes neuronales clásicas se han ido desarrollando sin necesidad de tener, en todos los casos, una teoría sólida y exhaustiva que las sustentara, el aumento en la disponibilidad de computadoras cuánticas en las que ejecutar y ajustar redes neuronales cuánticas muy posiblemente conducirá a encontrar casos de uso que hoy no podemos prever.

Las computadoras cuánticas no son la solución a todos los problemas computacionales y de tratamiento de datos que podamos plantear. No son dispositivos mágicos con los que se pueda realizar instantáneamente cualquier cálculo. Pero tampoco son solamente versiones más rápidas de las computadoras de los que disponemos hoy.

En las tareas en las que es posible obtener una ventaja mediante el uso de la computación cuántica, la ganancia en tiempo de ejecución aumenta cuando el tamaño del problema se hace más grande.

Si tenemos en cuenta que las aplicaciones de las computadoras cuánticas incluyen campos de tanta relevancia como la ciberseguridad, la simulación de procesos físicos y químicos o la inteligencia artificial, el hecho de que la computación cuántica no sea una herramienta que sirva para todo no disminuye su valor, sino que simplemente lo matiza.

Disponer de computadoras cuánticas no significará el fin de nuestras limitaciones de cómputo, pero podemos dar por seguro que supondrá un profundo cambio en nuestra forma de calcular y procesar datos y, por tanto, una transformación radical de nuestra sociedad.

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