Imagina una computadora capaz de resolver tareas en segundos que tomarían millones de años a los superordenadores convencionales. Esa es la visión detrás de la computadora cuántica: una tecnología revolucionaria que ya no pertenece solo a la ciencia ficción. Pero, ¿qué es realmente una computadora cuántica y en qué se diferencia de las computadoras que usamos hoy en día?

De bit a cúbit cuántico (qubit)

Una computadora clásica utiliza bits para procesar información. Cada bit puede ser 0 o 1, como un pequeño interruptor que está encendido o apagado. Todos los programas y datos en una computadora clásica están formados por largas secuencias de estos bits.

Una computadora cuántica, en cambio, utiliza qubits – cúbits cuánticos – que pueden ser tanto 0 como 1 al mismo tiempo gracias a un fenómeno mecánico-cuántico llamado superposición. Esto significa que un solo qubit puede realizar varios cálculos en paralelo. Cuando se conectan varios qubits, la capacidad de cálculo crece exponencialmente.

Otro fenómeno central en las computadoras cuánticas es el entrelazamiento (entanglement), donde dos o más qubits se conectan de tal manera que el estado de uno depende del otro, sin importar cuán lejos estén entre sí. Esto permite cálculos extremadamente complejos y coordinados.

¿Cómo funciona una computadora cuántica?

Las computadoras cuánticas utilizan la mecánica cuántica para realizar cálculos de maneras que no son posibles con computadoras clásicas. Esto requiere entornos extremadamente precisos y controlados. Las tecnologías más extendidas hoy en día se basan en:

• Circuitos superconductores: Utilizados por Google e IBM, entre otros. Los qubits se crean mediante corriente eléctrica que circula en un circuito sin resistencia a temperaturas extremadamente bajas.
• Trampas de iones: Utilizadas por empresas como IonQ y Honeywell. Aquí, los átomos flotan atrapados en campos magnéticos y se utiliza luz láser para manipular sus estados cuánticos.
• Qubits topológicos: Una tecnología más teórica que persigue Microsoft. Deberían ser extremadamente estables, pero aún no se han realizado en la práctica.

Lo que tienen en común estas tecnologías es que requieren vacío, bajas temperaturas (casi el cero absoluto) y un entorno extremadamente libre de ruido para que los estados cuánticos no colapsen, lo que supone un gran desafío técnico.

¿Para qué se pueden usar las computadoras cuánticas?

Las computadoras cuánticas no están diseñadas para reemplazar las computadoras convencionales, sino para resolver tareas específicas donde las computadoras clásicas no son suficientes. Algunos de los campos de aplicación más prometedores son:

• Cifrado y seguridad: Las computadoras cuánticas pueden romper métodos de cifrado clásicos (como RSA) mucho más rápido. Al mismo tiempo, se están desarrollando algoritmos resistentes a la computación cuántica que pueden soportar tales ataques.
• Medicina y química: Las computadoras cuánticas pueden simular moléculas y reacciones químicas a nivel atómico, lo que puede conducir a un desarrollo más rápido de nuevos medicamentos y materiales.
• Problemas de optimización: Por ejemplo, en logística, gestión del tráfico, gestión de carteras y producción, donde se deben calcular rápidamente muchas combinaciones posibles.
• Aprendizaje automático: Los algoritmos cuánticos pueden, en teoría, mejorar el entrenamiento de grandes redes neuronales y crear nuevos tipos de modelos de datos.

Estado actual: ¿Hype o realidad?

Hoy en día existen computadoras cuánticas con hasta varios cientos de qubits, pero la mayoría siguen siendo muy sensibles al ruido y poco estables. Un problema central es la decoherencia, es decir, cuánto tiempo puede un qubit mantener su estado. La mayoría de los qubits solo son útiles durante milisegundos, y pequeñas perturbaciones pueden arruinar todo el cálculo.

Por eso, los investigadores trabajan en corrección de errores y arquitecturas escalables para que las computadoras cuánticas sean fiables y útiles en la práctica. Hoy se habla de la era “NISQ” (Quantum Intermedio Ruidoso a Pequeña Escala), donde se pueden hacer experimentos, pero no soluciones completamente fiables.

Gigantes tecnológicos como Google, IBM, Microsoft y la china Baidu están invirtiendo masivamente en el campo. En 2019, Google anunció que había alcanzado la "supremacía cuántica" al realizar un cálculo en 200 segundos que le tomaría a un superordenador 10.000 años. Sin embargo, los críticos señalaron que la tarea no tenía valor práctico.

Computadoras cuánticas en la práctica: ¿Cuándo?

La pregunta de cuándo las computadoras cuánticas serán “útiles” depende de tres factores:

1. ¿Cuándo podremos fabricar qubits que duren lo suficiente y puedan escalarse?
2. ¿Cuándo tendremos algoritmos cuánticos que ofrezcan una ventaja real sobre los algoritmos clásicos?
3. ¿Cuándo podrán las empresas e instituciones comunes acceder a la potencia cuántica?

Las estimaciones optimistas hablan de 5 a 10 años para soluciones comercialmente relevantes. Las previsiones más cautelosas hablan de 15 a 20 años. Hasta entonces, se utilizan simuladores cuánticos y plataformas en la nube (por ejemplo, IBM Quantum) para experimentos y enseñanza.

Seguridad cuántica y nuevos desafíos

Si las computadoras cuánticas llegan a ser capaces de romper la mayoría de los sistemas de cifrado clásicos, tendrá grandes consecuencias para la seguridad digital. Por eso se investiga intensamente en criptografía post-cuántica, algoritmos que sean seguros frente a ataques cuánticos.

Al mismo tiempo, la tecnología plantea cuestiones éticas y sociales. ¿Quién tendrá acceso a la potencia cuántica? ¿Qué datos pueden ser manipulados o vulnerados? ¿Y cómo aseguramos que la tecnología cuántica no sea solo para unos pocos?

Conclusión

Las computadoras cuánticas representan un cambio tecnológico fundamental: no solo una versión más rápida de la computadora existente, sino una forma completamente nueva de pensar el cálculo. Con su capacidad para procesar información en paralelo, simular moléculas y optimizar sistemas complejos, las computadoras cuánticas tienen el potencial de revolucionar todo, desde la salud y el clima hasta la ciberseguridad y la inteligencia artificial.

Aunque la tecnología aún está en sus primeras etapas y llena de desafíos, puede –al igual que Internet y la electricidad antes que ella– cambiar el mundo radicalmente. El futuro es cuántico, y apenas está comenzando.