#acessibilidade Imagem de uma mão robótica e uma mão humana indo de encontro uma à outra, com os dedos indicadores quase se tocando.
Texto escrito por los contribuyentes Lucas Franciliano da Silva y Gabriel Araújo Duarte Costa
¿Quién nunca escuchó hablar de algo cuántico sin pensar “eso debe ser complicado”? Pues bien, es realmente muy complicado, ¡pero no te desesperes! Vamos a explorar juntos los secretos de la computación y la física cuántica en este texto. Vas a descubrir cómo esta tecnología va a determinar nuestro futuro como especie, cómo nos puede llevar a lugares que nunca imaginamos, y no, a no ser que él sea “Ant-Man” del Universo Marvel, tu “coach cuántico” no tiene nada que ver con este asunto.
Computación Cuántica
¿Qué es la computación cuántica, cuál camino trazamos hasta llegar a esta tecnología, y cuál será su impacto social y tecnológico en el futuro?
#acessibilidade Imagem de um boneco do personagem Homem-Formiga retirando um bloco de uma torre de Jenga e um bloco caindo em cima dele.
Lo que ha sido la computación hasta ahora
La ciencia de la computación surgió durante la segunda guerra mundial (1939-1945), los alemanes usaban un sistema de criptografía llamado “Enigma”, para comunicarse y ordenar ataques conjuntos entre todo el ejército, hasta que un brillante matemático británico llamado Alan Turing desarrolló una máquina de desencriptar. Era una máquina enorme y la primera que utilizó la teoría de los números para realizar una operación (esa historia es contada en la excelente película “El Código Enigma”). Esta máquina se conoció posteriormente como Máquina de Turing y su arquitectura interna sirve como modelo aún en la actualidad. Luego, el ejército americano continuó las investigaciones en esta área en conjunto con universidades americanas. Al final de la Segunda Guerra, en 1945, surgió el primer computador puramente electrónico conocido como ENIAC. El ENIAC pesaba casi 30 toneladas y se usaba para calcular trayectorias balísticas, así como en cálculos para viabilizar la producción de la bomba de hidrógeno. En 1956, el fundador de Intel, Gordon E. Moore formuló la conocida Ley de Moore, que dice que, en un mismo espacio de procesador de un computador, la cantidad de transistores se duplica cada 18 meses, lo que significa que la eficiencia y desempeño de una máquina se duplica cada año y medio. Esta ley fue confirmada hasta que ingenieros de IBM se dieron cuenta que en 2015 esta ley perdería validez, ya que no sería posible continuar usando silicio en computadores más modernos, debido a su inestabilidad y tendría que buscar otras alternativas como las nanocintas de grafeno o el telururo de uranio, un prometedor sustituto del silicio para implementación en computación cuántica.
La computación cuántica
La computación cuántica nace del intento de adaptar a la computación los avances conquistados en el campo de la física cuántica. Básicamente la física cuántica estudia los fenómenos que gobiernan el universo microscópico e intenta demostrar que, en el mundo subatómico, las magnitudes físicas tienen propiedades diferentes de las del mundo macroscópico y no pueden ser explicadas por la física clásica, como es el caso de la dualidad onda-partícula o los valores discretos de los paquetes de energía (fotones). Cuántico viene de quantum, que significa cantidad y debe ese nombre a quantum de energía (paquetes de energía) del físico alemán Max Planck, padre de la física cuántica. La primera propuesta conceptual de un computador cuántico la hizo el físico inglés Richard P. Feynman en 1981. Feynman observó que un computador clásico tiene limitaciones físicas y matemáticas que imposibilitan la realización de cálculos cuánticos, y se preguntó si un computador fundamentado en el principio cuántico sería capaz de hacer esas operaciones. En 1985 fue formulado el qubit, que caracteriza el estado de sobreposición de los bits 1 y 0 (sí o no) de la computación clásica, lo que quiere decir que soporta los estados 1 y 0 al mismo tiempo, duplicando su capacidad de procesamiento, lo cual fue clave para los algoritmos cuánticos que aparecieron en los años 90, como cuando el matemático americano Peter Shor, en 1994, desarrolló el algoritmo de Shor que le permitía a un computador cuántico factorizar números no primos mucho más rápido. Esa aplicación puede ser útil en criptografías, donde un computador clásico demoraría miles de años para romper una clave criptográfica, imposibilitando el proceso, mientras que un computador cuántico haría esta tarea en días u horas.
Propiedades del computador cuántico
Como fue mencionado anteriormente, el principal distintivo del computador cuántico sobre el clásico es el qubit y su capacidad de superposición. Profundizando un poco más sobre este tópico, ese fenómeno es posible debido a la capacidad de superposición cuántica, explicada por el principio de incertidumbre, donde por ejemplo un electrón es capaz de estar en todos los estados cuánticos teóricamente posibles, hasta el momento de ser medido. Esto, junto con algoritmos de números complejos aplicados a la computación, permite que un bit cuántico almacene más de una información simultáneamente. Otra propiedad particular del qubit es el entrelazamiento cuántico, fenómeno en el cual las partículas pueden interactuar, aunque estén separadas, e independientemente de la distancia entre ellas. Dicho de otra forma, el estado cuántico de una se refleja en la otra. Además, existen las puertas cuánticas, o quantum gates que serían equivalentes a las puertas lógicas o logic gates en computación clásica. Estas son reversibles, o sea, es posible obtener los bits de entrada a partir de los bits de salida, hazaña imposible en la computación clásica. En consecuencia, esto hace posible la reversibilidad de los circuitos cuánticos, equivalentes a los circuitos lógicos, lo que coloca el computador cuántico en un nivel absurdamente alto en relación con el clásico.
Entonces, ¿por qué no usamos el computador cuántico para todo lo que hacemos?
Varios motivos impiden que este texto se escriba en un computador cuántico. El principal de ellos es que en realidad no sabemos prácticamente nada sobre cómo funciona el computador cuántico, así como sabemos también muy poco sobre la propia física cuántica. Este tema está aún un poco ‘nublado’, pues todavía falta mucho por descubrir y desarrollar, como por ejemplo el propio funcionamiento del entrelazamiento cuántico, que es todavía un misterio para la ciencia. Los lenguajes de programación cuánticos aún deben ser probados y enfocados al público. Además, en la discusión deben incluirse el costo de crear y mantener un computador cuántico, la delicadeza y sensibilidad de los procesos, donde variaciones mínimas de temperatura y presión o vibraciones de baja intensidad pueden influenciar, aspectos de seguridad cibernética, incluyendo la capacidad de un computador cuántico de romper la criptografía de los computadores clásicos, y así sucesivamente.
La importancia de la computación cuántica para el futuro
A pesar de todas estas limitaciones, la visión que tenemos de la computación cuántica es esperanzadora para el futuro. Para darnos una idea, recientemente (octubre de 2019), Google anunció la supremacía o ventaja cuánticas. Este término, acuñado por el físico americano John Preskill, significa que un computador cuántico realizó una tarea inviable en un computador clásico. Esa supremacía fue alcanzada con el computador Google Sycamore, con 54 qubits que debe ser refrigerado hasta 1 K de temperatura, para reducir el desbalance de las medidas. En una prueba, realizó un cálculo de probabilidades en 200 segundos, siendo que el mismo problema demoraría 10000 años para ser resuelto en un computador común. Los datos de esta prueba fueron refutados por IBM (rival de Google en esta área), alcanzando un valor más alto. La supremacía cuántica, ese momento en el que una tarea, imposible para un potente computador clásico, es realizada en instantes por un computador cuántico, es la cúspide que inspira el desarrollo de la computación cuántica. Y esa quantum supremacy traerá consigo la capacidad de realizar simulaciones, procesar datos, resolver algoritmos, en un grado que podría generar un salto tecnológico drástico en la historia de la humanidad, contribuyendo a la cura de enfermedades, al desarrollo de inteligencia artificial (IA), en la logística de información, e incluso simular un computador clásico.
Fredkin, Feynman y Deutsch, importantes físicos en el área cuántica, decían que la computación es un área de la física, donde la computación cuántica es solo la forma en la que el universo computa. La computación en sí es la computación cuántica, y la clásica, es un caso especial de esta.
Fuentes:
Fuente de la imagen destacada: Gerd Altmann por Pixabay
Fuente de la imagen 1: Johnny Gutierrez por Pixabay
Wagner Jorcuvich Nunes da Silva, Uma introdução à Computação Quântica.
N. David Mermin, Quantum Computer Science An Introduction.
Canal Nerdologia: episódios Computação Quântica e Supremacia Quântica
