Computación cuántica o las ventajas de la incertidumbre

Autor: 

Dr Osvaldo de Melo
|
13 Noviembre 2020
| |
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tomada de pixabay.com

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Nos gusta la certeza, nos molestan la duda y la incertidumbre. Pero el investigador, científico o no, suele cultivar la duda. Así, el policía duda de los relatos de los sospechosos y el científico duda de las imágenes que le ofrece la realidad a primera vista. Es a partir de ahí que son capaces de escrutar más allá de la mera apariencia.

Hay una incertidumbre más profunda que todas las demás y probablemente más molesta: la incertidumbre de la física cuántica.

Digamos primero lo que parece ser una certeza casi absoluta: la física cuántica es la teoría más probada de todas las teorías científicas. En sus más de cien años de existencia, sus predicciones se han verificado por experimentos y sus aplicaciones se han extendido a diversas ramas de la tecnología.

Prácticamente nada se ha resistido al análisis certero de esta teoría. Todo el desarrollo de la electrónica, y en general de la ciencia en su totalidad, que venimos presenciando desde mediados del siglo XX y que se traduce hoy en teléfonos móviles, Internet, computación, inteligencia artificial, dispositivos de iluminación, pantallas planas, mandos a distancia y un largo etcétera, está en gran medida basado en los resultados de la física cuántica. Se dice que un tercio de la economía mundial responde a resultados de esta rama de la ciencia.

Pero no se puede negar que hay algo profundamente oscuro en la interpretación de la teoría que la sostiene, al menos para la cultura, el lenguaje y la forma de pensar de los seres humanos. Algunos físicos prefieren no tocar estos temas, otros dejan “pasar el lanzamiento” y sugieren que la interpretación de la física cuántica es problema de los filósofos y no de los físicos. Estas actitudes han dado lugar a la famosa frase: ¡calla y calcula! que se explica por sí sola.

Probablemente, este rechazo provenga del hecho de que detrás las cosas extrañas se pueden esconder muchas otras que, además, sean falsas. Es cierto. Y el científico puede pensar que, si se admite que hay teorías científicas que resultan raras, aunque solo sea en su interpretación, entonces habrá que aceptar cualquier teoría falsa. Ya esto no parece tan cierto.

Está más que verificado que la ciencia acepta las teorías extrañas, lo que no acepta, extraño o no, es lo que no esté adecuadamente verificado. La física cuántica es probablemente el ejemplo más nítido, aunque no el único, de esta aserción. Hoy se hace casi imposible evadir estos temas intrincados, porque los científicos se las han arreglado para obtener provecho, precisamente, de esos efectos extraños que actualmente están siendo llevados al mundo de la tecnología.

Para un objeto grande (en lenguaje más riguroso se le diría macroscópico), podemos desconocer cuál es su velocidad, pero estamos seguros de que alguna velocidad tiene, y que podemos medirla si usamos un instrumento adecuado. Lo mismo pasa con la posición, o con la energía, o con el tiempo durante el cual el objeto se ha estado moviendo. A la existencia de estas magnitudes es a lo que Albert Einstein llamaba “elementos de la realidad”. Si hay incertidumbre, es por nuestro desconocimiento, o por las limitaciones de nuestros instrumentos de medición. Esto parece tan trivial…

Por extraño que parezca, para las partículas cuánticas no es así. Según uno de los principios básicos de esta teoría, el principio de superposición, una partícula puede encontrarse en un estado tal que es como si una determinada propiedad tuviera a la misma vez varios valores diferentes. En este estado se dice que esa propiedad no está definida, que existe incertidumbre en cuanto a su valor. Por ejemplo, suponiendo que la propiedad fuera simplemente la posición, sería como si la partícula estuviera en dos, o más, o infinitos lugares a la vez, sin estar en ninguno de ellos en particular. Una vez que se hace una medición, la partícula adquiere una de las posiciones posibles. Algo similar ocurre con otras propiedades aparte de la posición.

Como se ve de este ejemplo, la medición en física cuántica adquiere un rol singular: no sirve para conocer el valor de lo que estamos midiendo, sino para imponer uno de los valores posibles de la magnitud. Esto, claro, suena bastante raro.

Pongamos un ejemplo con seres humanos (que no parecen cumplir con este principio), solo para tratar de hacer más comprensible el asunto). Una “persona cuántica” (llamémosle así), digamos Benito, pudiera estar de mal y de buen humor al mismo tiempo y dar lugar al siguiente relato:

Una persona “no cuántica”, digamos Alicia (también podemos llamarla clásica, a la usanza de los físicos), saluda a Benito (este saludo sería el equivalente de la medición), recibe un gruñido por respuesta y piensa (clásicamente): he escogido un mal momento para saludarlo; estaba de mal humor. Pero no, Benito no estaba ni de buen humor ni de mal humor antes del saludo. Lo mismo hubiera respondido con una sonrisa de oreja a oreja y un abrazo (en el supuesto de que hubiera pasado la pandemia) y no se hubiera podido cambiar un resultado por el otro de ninguna manera. Él no estaba en ninguna de las dos condiciones, sino en un estado de superposición entre el humor bueno y el malo, fue el saludo el que impuso que tomara una de las dos. Lo más que hubiera podido saber Alicia antes de saludarlo sería la probabilidad (no la certeza) de que al hacerlo hubiera recibido afecto o gruñido.

El lector podrá todavía argüir que tal vez Alicia no tenía suficiente información, que, de haber averiguado bien, hubiera sabido el verdadero estado de Benito antes de saludarlo. Pero el lector estaría pensando, también él, clásicamente. Esa sería la incertidumbre normal, que los físicos llaman incertidumbre clásica y que es producto del desconocimiento; la incertidumbre cuántica es otra cosa, es más profunda: no había ninguna manera de saber el estado de Benito, porque no existía esa información previamente al saludo.

Casi todos los días encontramos algún anuncio en Internet sobre los avances en la computación cuántica. La verdad es que, como tecnología está todavía en pañales pero se está desarrollando muy rápidamente, parece ser muy prometedora para resolver problemas extremadamente difíciles con mucha rapidez. Pues bien, pudiéramos decir que la computación cuántica saca provecho de la incertidumbre de la física cuántica.

Imagen: tomada de Poetry in Physics

 

El llamado qubit o bit cuántico, que es el elemento básico de este tipo de computación (como lo es el bit en la computación clásica), es simplemente una partícula, un fotón de luz por ejemplo, que tiene alguna propiedad que no está definida, que es incierta. En el caso del fotón esta propiedad es la polarización (la dirección en la que oscila la onda luminosa) que puede tener dos valores, horizontal o vertical, pero que en general está en una superposición de los dos valores de polarización diferentes, como el humor de Benito. En un algoritmo cuántico, un conjunto de estos qubits con propiedades inciertas sufre una serie de trasformaciones hasta que, al final del cálculo, se realiza una medición y, si todo funcionó bien, se obtiene el resultado deseado. También se usan actualmente como qubits, entre otros, circuitos superconductores o puntos cuánticos.

El problema actual con la computación cuántica es que los qubits son muy frágiles y la menor interacción no deseada hace que se produzca una medición antes de tiempo y se pierda el estado de superposición que caracteriza al qubit, que entonces deja de ser incierto y ya no sirve para continuar el cálculo.

Por ello, es necesario evitar las interferencias externas y mantenerlos a muy bajas temperaturas. Como las primeras computadoras clásicas, las computadoras cuánticas de hoy ocupan una habitación completa y necesitan condiciones especiales mucho más allá de las que puede ofrecer una oficina cualquiera. Entre otras compañías, IBM, Intel y Google compiten con computadoras cuánticas que ya están rondando los 100 qubits y que prometen en el futuro revolucionar muchas cosas, incluso de nuestra vida cotidiana.

 

También es útil la incertidumbre en relación con la seguridad informática. Supongamos que Alicia manda un mensaje a Benito (ahora los dos son personas normales) y que un intruso lo intercepta por el camino, lo lee y lo reenvía a Benito que no podrá distinguirlo del mensaje que le hubiera llegado directamente de Alicia. Ni Alicia ni Benito sabrán que han sido espiados. Todo es diferente si lo que Alicia manda a Benito es un qubit.

Computadora cuántica de IBM (Foto: tomada de flagshippionering.com

En este caso, el intruso puede también interceptarlo, pero como el qubit es una partícula cuántica en un estado de superposición, al hacerlo modificará la información que traía, por lo que no podrá reenviárselo a Benito tal y como era, y este podrá darse cuenta de que ha sido espiado (Benito y Alicia deben haber acordado algún tipo de medición y mandarse una clave conocida). A grandes rasgos, esta es la ventaja de lo que se conoce como encriptación cuántica.

¡Quién iba a decir que la incertidumbre pudiera tener tantas ventajas! La verdad es que la física cuántica ha dado un vuelco inimaginable a nuestros conceptos más íntimos sobre la realidad. Pero no fue porque a los físicos de inicios del siglo XX se les hubiera revelado mágicamente esa teoría, ni porque les pareció ingeniosa o coherente consigo misma. Es que fue la única teoría que puso de acuerdo todos los experimentos que intrigaron a los científicos a finales del siglo XIX cuando parecía que todo estaba ya hecho y que había llegado el fin de la física. Era inimaginable en esa época la complejidad que aportaría la física cuántica al pensamiento y no creo que ni siquiera un supuesto Julio Verne “cuántico” hubiera podido predecirla en una novela de ficción. El famoso biólogo y genetista J. B. S. Haldane lo ha dicho mejor: “mi propia sospecha es que el Universo no solo es más raro de lo que suponemos, sino más raro de lo que podemos suponer”.


 

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