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Diez preguntas sobre las tecnologías cuánticas de la información

Carlos Rodríguez Castellanos
17 octubre 2024 | 0 |

1- ¿QUÉ SON LAS TECNOLOGÍAS CUÁNTICAS DE LA INFORMACIÓN?

Son nuevas tecnologías de la información y las comunicaciones, basadas en el registro, procesamiento, lectura y trasmisión de la información codificada en estados cuánticos llamados qubits. El término tecnologías cuánticas de la información generalmente abarca la computación cuántica (tanto hardware como software), la criptografía cuántica y la comunicación cuántica.

2- ¿EN QUÉ SE DIFERENCIAN DE LAS TECNOLOGÍAS DIGITALES QUE CONOCEMOS?

Las tecnologías digitales de la información tradicionales se basan en el registro, procesamiento, lectura y trasmisión de la información codificada en bits (binary digits). Estos bits de información se materializan en pequeños objetos que pueden encontrarse en uno de dos estados posibles, designados como 0 y 1. Por ejemplo, un transistor que conduce o no, o un pequeñísimo imán orientado hacia arriba o hacia abajo. Un registro de 32 bits corresponde a fijar el estado de 32 objetos de este tipo, a los que también les llamaremos bits.

Los microprocesadores, discos duros y otros dispositivos utilizados en las computadoras modernas pueden contener billones de bits y mucho más. Escribir o leer un bit se realiza aplicándole un voltaje o un campo magnético o iluminándolo con un láser, según su naturaleza específica.

Los bits pueden ser objetos muy pequeños, pero aún contienen un gran número de átomos. Aunque su fabricación es posible gracias al conocimiento de las leyes de la Física Cuántica que rigen el mundo microscópico, cada “bit”, como un todo, cumple con las leyes de la Física Clásica. Son como monedas que pueden mostrar una de dos caras: estrella o escudo. 

Esto implica que:

  • a) Cada uno se encuentra en uno y solo uno de los dos estados posibles,
  • b) El estado de cada uno es independiente del de los otros
  • c) La lectura de un registro no lo destruye, por lo que es posible copiar un mensaje sin alterarlo.

Nada de esto se cumple para los qubits.

Imagen: tomada de 1qbit.com

3- ¿QUÉ SON LOS QUBITS?

Se denomina “qubits” (acrónimo  de quantum bit) a los objetos microscópicos (moléculas, átomos, iones, electrones, fotones, etc.) que pueden encontrarse en dos estados cuánticos diferentes que designaremos como | 0 >y | 1>. La diferencia está en que, de acuerdo con las leyes de la Mecánica Cuántica, el qubit también puede encontrarse en cualquier estado que sea una mezcla (combinación lineal) de | 0> y | 1>.

Esto significa que puede encontrarse a la vez, con cierta probabilidad, en los dos estados. Algo así como una moneda girando sobre su canto, que puede mostrarnos sus dos caras. En esos estados, un qubit puede almacenar la información equivalente a dos bits, dos qubits la información equivalente a cuatro bits y, en general, N qubits pueden almacenar la información equivalente a 2N bits. Al modificar ese estado cuántico estamos procesando a la vez 2N bits.

Además de la posibilidad de superponerse, los qubits tienen otras propiedades exclusivas de los estados cuánticos. No pueden ser copiados sin alterados, lo cual conduce a la imposibilidad de copiar un mensaje codificado en qubits sin que la acción sea detectable.

También pueden estar en estados entrelazados en los que dos o más qubits distantes están fuertemente correlacionados, de modo que al actuar sobre uno de ellos instantáneamente se modifica el estado de los otros. Esto permite la teleportación de qubits: una forma de trasmitir información sin que esta viaje del emisor al receptor.

Estas propiedades de los qubits pueden ser explotadas para el procesamiento paralelo masivo de la información, para su encriptación segura y para la transportación de mensajes a largas distancias. 

Sin embargo, los qubits son extremadamente sensibles, inestables, volátiles. No son robustos. Se necesita muy poca energía para cambiar el estado de un electrón, de un átomo o un fotón. Cualquier pequeña perturbación los modifica, alterando la información registrada en los mismos y generando errores. Se dice que los estados cuánticos pierden su coherencia. Esto se agudiza cuando crece el número de qubits. Por ello, los qubits requieren aislamiento y, en algunos casos, enfriamiento, para reducir al mínimo esas perturbaciones. Se necesita además que el procesamiento se haga en un tiempo corto, antes de que ocurra la decoherencia. Para beneficiarse del entrelazamiento cuántico, es necesario entrelazar qubits distantes, algo difícil de lograr.

4- ¿QUÉ ES UN COMPUTADOR CUÁNTICO?

Ordenador cuántico de IBM (Foto: DW)

Un computador cuántico es un equipo complejo que registra, procesa, lee y trasmite la información codificada en qubits y es equivalente a muchas computadoras clásicas que trabajen en paralelo. Sus componentes esenciales son:

  1. Qubits: la unidad básica de registro de la información. Se realizan  mediante los estados cuánticos de objetos microscópicos. Deben estar interconectados, para que puedan superponerse y entrelazarse.
  2. Compuertas Cuánticas: dispositivos que transforman el estado de los qubits mediante operaciones que permiten realizar cálculos. Las compuertas conectadas forman circuitos lógicos. Existen varios tipos de compuertas cuánticas: la Hadamard (H), que crea superposición, la CNOT, que permite el entrelazamiento entre qubits y la de Pauli, que transforma los qubits individuales. La naturaleza física de las compuertas depende de la de los qubits.
  3. Sistemas de Control y Medición: los controladores envían pulsos eléctricos o magnéticos para manipular los qubits y medir sus estados. La lectura del estado de un qubit es fundamental para obtener los resultados de los cálculos cuánticos.
  4. Algoritmos de Corrección de Errores: dado que los qubits son susceptibles a errores debido a la decoherencia y el ruido ambiental, se requieren algoritmos específicos para corregirlos y mantener la confiabilidad del cálculo. La corrección de errores es esencial para escalar computadoras cuánticas a niveles prácticos.
  5. Sistemas de Refrigeración: algunos computadores cuánticos operan a temperaturas extremadamente bajas (cercanas al cero absoluto) para minimizar el efecto térmico sobre la estabilidad de los qubits.
  6. Ambiente Controlado. el aislamiento es fundamental para que los computadores cuánticos operen en un entorno controlado y aislado para minimizar las interferencias externas que afectan el estado de los qubits.
  7. Dispositivos Electrónicos Externos: los procesadores cuánticos necesitan conectar con dispositivos externos para recibir datos y enviar resultados. Esto debe hacerse sin introducir ruido adicional al sistema.

5- ¿PARA QUÉ SIRVE UN COMPUTADOR CUÁNTICO?

Un computador cuántico con suficientes qubits permitiría resolver problemas de alta complejidad algorítmica que los mayores supercomputadores clásicos no pueden resolver o resolverían en un tiempo mucho mayor.

Ejemplos de estos problemas son la factorización de números grandes, que está en la base de muchos algoritmos de encriptación modernos, la  búsqueda en bases de datos desordenadas, el reconocimiento de patrones y muchos otros problemas de complejidad equivalente.

Se espera que sean especialmente efectivos en acelerar los algoritmos de inteligencia artificial. También permitirían las simulaciones cuánticas de las propiedades de moléculas y materiales complejos.

computador cuántico JiuZhang 3, otra de las tecnologías cuánticas
Foto: eldebate.com

Por ejemplo, el computador cuántico JiuZhang 3 creado por la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, puede realizar en una millonésima de segundo, un cálculo que le tomaría 20 mil millones de años a un supercomputador clásico.

Desde la creación del algoritmo de factorización de Peter Shor en 1994 se ha desarrollado y probado un número creciente  de algoritmos cuánticos, que esperan por la fabricación de computadores cuánticos suficientemente grandes, en los que se pueda hacer realidad la llamada supremacía cuántica sobre los clásicos. Serán necesarios computadores de cientos de miles o millones de qubits, pero la tecnología actual apenas permite llegar a mil qubits. El récord actual parece pertenecer a  la computadora cuántica “Condor” de IBM, que cuenta con 1,121 qubits.

Las principales aplicaciones previstas a corto plazo son:

  1. Servicios financieros: mejorar la precisión en la valoración de activos. Optimizar inversiones. Detectar fraudes en transacciones financieras.
  2. Medicina y farmacia: acelerar y abaratar el descubrimiento y desarrollo de nuevos fármacos. Desarrollar tratamientos personalizados de mayor eficacia terapéutica basados en la genética del paciente.
  3. Criptografía cuántica: incrementar la seguridad de la información mediante métodos de comunicación extremadamente seguros. Esto es especialmente relevante para sectores como la banca y la defensa.
  4. Simulaciones complejas: permitirán considerar interacciones que son intratables con computadoras clásicas, así como realizar pronósticos climáticos y meteorológicos más precisos.
  5. Optimización industrial: optimizar procesos logísticos y de producción para una mayor eficiencia operativa.
  6. Desarrollo de nuevos materiales: descubrimiento y diseño de nuevos materiales con propiedades específicas para aplicaciones industriales y médicas.

Los computadores cuánticos no están llamados a sustituir a los “clásicos”, sino a realizar algunas tareas que estos no pueden hacer con eficiencia. En muchos casos, lo práctico será el desarrollo de sistemas híbridos, que acoplen computadores clásicos y cuánticos y compartan las tareas. Los primeros computadores cuánticos “comerciales”, serán muy caros y voluminosos (como lo fueron los clásicos en su momento), y prestarán servicios “en la nube” a usuarios que se conecten desde computadores clásicos.

6- ¿QUÉ DESAFÍOS ENFRENTA EL DESARROLLO DE LA COMPUTACIÓN CUÁNTICA?

El primer desafío es el de la “escalabilidad”: se requieren computadores cuánticos con cientos de miles o millones de “qubits” que puedan superponerse y entrelazarse.

El segundo es la “decoherencia”: se necesita que los qubits sean más estables y que su procesamiento se haga antes de que ocurra la “decoherencia”.

El tercer gran desafío es la “corrección de errores”: los computadores cuánticos deberán tener capacidad para corregir sus errores.

Estos son desafíos tecnológicos, no de principio, pero su solución lleva tiempo y dinero.

Actualmente existen computadores cuánticos basados en diferentes tipos de qubits: junturas superconductoras, fotones, electrones, iones, etc. Cada tecnología presenta ventajas y desventajas con respecto a la solución de los desafíos mencionados. Unas son más fáciles de escalar, otras ofrecen mejor coherencia; algunas no necesitan enfriamiento, en otras es más fácil de implementar la corrección de errores o son más adecuadas en ciertas aplicaciones,  etc. El hardware y el software se diseñan en paralelo.

Otro desafío importante es la carencia de suficiente fuerza de trabajo calificada para enfrentar el crecimiento de esta nueva industria.

7- ¿QUÉ ES LA CRIPTOGRAFÍA CUÁNTICA?

La criptografía es la ciencia de cifrar y descifrar información utilizando técnicas matemáticas que hagan posible el intercambio de mensajes de manera que sólo puedan ser leídos por las personas a quienes van dirigidos.

Los métodos actuales de encriptación se basan en algoritmos como los RSA. Estos explotan la dificultad para encontrar los factores primos de un número muy grande. Sin embargo, un algoritmo como el de Shor, implementado en un computador cuántico, reduce considerablemente el tiempo de factorización (de 2 N/2 a N3, siendo N el número de dígitos necesarios para representar el número a factorizar) y podría descifrar estos mensajes con relativa facilidad.

En respuesta, surge la criptografía “post cuántica” destinada a proteger la información secreta con algoritmos de encriptación de mayor complejidad, capaces de resistir el eventual ataque de un computador cuántico, lo que constituye una verdadera revolución en materia de ciberseguridad.  

Por otra parte, al medir un estado cuántico, este generalmente se destruye. El “teorema de no –clonación” establece que es imposible copiar sobre otro objeto un estado cuántico cualquiera sin destruirlo. En consecuencia, un mensaje codificado en qubits, puede trasmitirse de manera que  siempre puede detectarse si fue interceptado.

Para ello se han desarrollado protocolos de trasmisión de mensajes cien por ciento seguros, como el BB86, que ha sido utilizado en la trasmisión de claves y otros datos  por fibra óptica a varios kilómetros de distancia. Su mayor aplicación dependerá de contar con suficientes qubits para encriptar mensajes más largos y de que la información no se pierda durante la trasmisión por efecto de la decoherencia. Una alternativa es la teleportación cuántica.

8- ¿QUÉ ES LA TELEPORTACIÓN CUÁNTICA?

Teleportación, una de las tecnologías cuánticas en desarrollo
Foto: tomada de invdes.com.mx

La teleportación cuántica es un fascinante fenómeno que permite enviar un mensaje cuántico X a un destino lejano sin necesidad de que el estado cuántico X viaje en algún soporte material desde el emisor hasta el receptor. Para ello es necesario disponer de dos estados “entrelazados”, uno en emisor y otro en el receptor. La interacción del mensaje del emisor con X, puede hacerse de forma tal que el receptor reciba el mensaje X. Lo único que viaja es cierta información convencional al receptor para que registre su estado de la manera apropiada. El emisor no necesita conocer el contenido de X.

La teleportación cuántica puede usarse para transmitir información a largas distancias sin necesidad de canales físicos, lo que es especialmente útil en aplicaciones como la comunicación satélite-tierra y en redes de comunicación interplanetarias.

Esto abre posibilidades para la transmisión de datos sensoriales a través del espacio. Facilita también el desarrollo de redes cuánticas de estados entrelazados entre ubicaciones distantes, esencial para operaciones cuánticas a gran escala. Estas redes podrían revolucionar las telecomunicaciones al permitir una comunicación rápida y segura.

La teleportación también puede usarse al interior de una computadora cuántica, para trasmitir información entre  qubits entrelazados distantes. Además, tiene aplicaciones en la simulación de sistemas complejos, permitiendo el análisis y estudio del comportamiento de estos sistemas sin necesidad de mover físicamente los qubits.

En este momento, el récord de teleportación de un mensaje cuántico por fibra óptica es de unos cien kilómetros. También se han trasmitido vía satélite entre estaciones terrestres situadas a miles de kilómetros. Se considera que China es líder mundial en comunicaciones satelitales cuánticas seguras y ha desarrollado tecnologías que podrían tener aplicaciones militares y comerciales significativas.

9- ¿EN QUÉ ESTADO SE ENCUENTRA Y QUÉ PODEMOS ESPERAR?

Estamos en la etapa de computadores cuánticos muy ruidosos y de escala intermedia. Importantes universidades y centros de investigación, así como grandes firmas (IBM, Google, Microsoft, D-Wave, Intel y otras) que utilizan diferentes tecnologías y estrategias comerciales difunden sus impresionantes logros y pronósticos optimistas, los cuales prometen la supremacía cuántica hacia 2030.

A nivel global, existe una fuerte competencia entre China y los EUA. El mercado de inversiones en Computación Cuántica era de unos diez mil millones de dólares en 2022 y se espera crezca hasta cientos de miles de millones en 2030, a un ritmo del 32 por ciento anual. China ha asignado diez mil millones de dólares para inversiones en investigación y desarrollo cuántico solo para el Laboratorio Nacional de Ciencias de la Información Cuántica. La capacidad del país para coordinar recursos entre instituciones académicas y gubernamentales le otorga una ventaja competitiva sobre otras naciones.

El desarrollo constante de nuevas aplicaciones estimula las costosas inversiones que se necesitan para fabricar computadores más potentes. Teniendo en cuenta las evidentes  aplicaciones militares de la computación cuántica, es probable que mucha información sobre su desarrollo actual no se difunda.

Se estima que un 20 por ciento de las grandes corporaciones ya ha alcanzado la fase de implementación con experimentos y pruebas conceptuales, mientras que otro 23 por ciento ha identificado casos de uso relevante.

Empresas como IBM han liderado el camino ofreciendo acceso a sus computadoras cuánticas a través de plataformas en la nube, permitiendo a otras organizaciones explorar aplicaciones sin necesidad de costosas inversiones en hardware. Esto está facilitando una rápida adopción y experimentación en diversas industrias.

En resumen, aunque aún estamos en las etapas iniciales del desarrollo comercial de la computación y comunicaciones cuánticas, ya se vislumbran aplicaciones prometedoras en sectores clave como finanzas, medicina, criptografía, energía y optimización industrial. Con el avance continuo en estas tecnologías cuánticas, es probable que veamos un aumento significativo en su implementación práctica en los próximos años.

Se espera que los primeros computadores cuánticos “comerciales” estén disponibles en menos de una década. Serán equipos muy grandes y muy caros, que ocupen grandes habitaciones con sistemas de enfriamiento y otros soportes tecnológicos, como ocurrió con las primeras computadoras fabricadas con tubos de vacío hace más de setenta años. El escenario probable será la oferta de servicio de los computadores cuánticos “en la nube” y la conexión en red de computadores cuánticos: el Internet cuántico.

10- ¿CÓMO SERÁ LA DEMANDA DE PROFESIONALES PARA LA INFORMACIÓN CUÁNTICA?

Con el crecimiento continuo del interés y la inversión en Tecnologías Cuánticas de la Información, se anticipa una demanda creciente de profesionales capacitados en este campo. La escasez global de talento calificado es un desafío significativo.

Se requieren profesionales con sólidos conocimientos en mecánica cuántica, matemáticas avanzadas y programación. Será necesario desarrollar nuevos algoritmos cuánticos, investigar aplicaciones prácticas y mejorar los existentes, implementar técnicas para minimizar errores, diseñar y construir computadores cuánticos, optimizar el rendimiento de los procesadores cuánticos, etc. Las oportunidades laborales no solo se limitarán a la investigación académica, sino que abarcarán sectores industriales como la criptografía, la inteligencia artificial, la simulación cuántica y más.

La colaboración entre instituciones educativas, empresas tecnológicas e investigadores será crucial para formar a los profesionales necesarios para liderar esta revolución tecnológica. La rápida evolución del campo significa que las instituciones educativas deben adaptarse constantemente para ofrecer programas que preparen a los estudiantes con las habilidades necesarias. Además, se espera que surjan nuevos roles, lo que requiere una formación continua y flexible.

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