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Ordenadores cuánticos: procesar a velocidades de vértigo

Aunque se trata de una tecnología todavía en pañales, los ordenadores cuánticos harán en el futuro las operaciones más complejas en millonésimas de segundo

  • Autor: Por JORDI SABATÉ
  • Fecha de publicación: 10 de julio de 2006

Hace apenas un mes, el reciente premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica 2006, Juan Ignacio Cirac Sasturain, intentaba explicar en qué consistía el ordenador cuántico y teminaba concluyendo: "Es como si alguien juega al ajedrez pero de pronto las reglas cambian y el caballo puede moverse en todas direcciones. Son unas nuevas reglas del juego y podemos hacer uso de ellas".

Cirac Sasturaín, director del Instituto de Óptica Cuántica Max Planck de Munich, es uno de los investigadores más importantes en el campo de la computación cuántica y la mecánica cuántica en general. Además de la capacidad para computar a velocidades impensables, la mecánica cuántica proporcionará también sistemas de encriptación de información completamente indescifrables (y por tanto seguros) y procesos de transmisión de propiedades entre partículas a distancia, lo que equivale a hablar de transporte de matería a distancia ('teletransportación' o transmigración).

Por el momento, el equipo de Sasturain ya a conseguido teletransportar 500 fotones a medio metro de distancia, aunque se encuentra a años luz de lograr teletransportar a un ser humano, tal como ocurría en la famosa serie Star Trek.

Los infinitos, e inciertos, estados del átomo

La base de la computación binaria es la 'señal/ausencia de señal' detectada como 'ceros' y 'unos'. En código binario, la presencia o no de un electrón en un transistor determina el 'cero' o el 'uno'. Si en un ciclo de oscilación del transistor éste pasa de no retener un electrón a retenerlo, la información que circulará desde el procesador al resto del ordenador (o viceversa) será un 'uno'. Al contrario, si durante el ciclo de oscilación no hay cambio de estado, el resultado será un 'cero'. Así, a base de 'ceros' y 'unos' se va creando el código binario que contiene las órdenes que rigen el ordenador. Se trata de larguísimas filas de combinaciones de 'ceros' y 'unos'.

Ahora bien, la mecánica cuántica se basa en el Principio de Incertidumbre de Heisenberg, que declara que es imposible conocer con total exactitud la posición de un electrón en torno al núcleo del átomo, puesto que el observador la modifica al estudiarla.

Por lo tanto, sólo podremos conocer la probabilidad de que un electrón se encuentre en un sitio concreto, pero nunca tendremos el 100% de certeza. Así, existen zonas de mayor probabilidad y zonas con menor probabilidad. Se crean entonces 'mapas de probabilidades' (orbitales) que son nubes de zonas donde podría estar el electrón. Estas nubes son más densas donde más probablilidad existe y menos densas en el supuesto contrario.

La computación cuántica se basará, cuando esté completamente desarrollada, ya no en la detección del electrón como señal de 'unos' y 'ceros', sino en la probabilidad de que éste se encuentre donde se le supone. Esto implica que el código de computación se extenderá a tantas combinaciones como probabilides tenga el electrón de estar en el lugar.

'Qbit': el fin de las filas de 'ceros' y 'unos'

De los clásicos 'ceros' y 'unos' se pasará a un lenguaje con infinitas variables, tantas como niveles de probabilidad puede tener un electrón de estar en una posición determinada: desde el 0% al 100%, incluyendo números con decimales como 0,000000 (infinitos ceros)1% o 99,9999 (con infinitos nueves)%.

En otras palabras, la información que hoy contiene un millón de bits (un millón de combinaciones del 0 y el 1 colocadas en fila) sirve para transmitir una determinada orden. El ordenador binario interpreta tanto la longitud de la cadena como el modo en que están dispuestos los 'ceros' y los 'unos', y según sean estas dos variables deduce una determinada información (que pueden ser imágenes, letras, órdenes para ejecutar...).

De los clásicos 'ceros' y 'unos' se pasará a un lenguaje con infinitas variables, tantas como niveles de probabilidad puede tener un electrón de estar en una posición determinada

En cambio, en la computación cuántica toda esta información se podrá resumir en un único cálculo de probabilidad que se conoce como 'qbit'. El 'qbit' es una unidad de información basada en un número único y no en filas de código binario. Es el equivalente a encontrar el atajo para trasmitir de una sola vez la información almacenada en binario, saltándose la cola del millón de bits. Lo que ofrece este tipo de computación es una reducción del tiempo de ejecución importantísima.

La computación cuántica es lo más parecido que existe al lenguaje humano, donde a cada objeto se le asigna una palabra (y también a los grupos de objetos, a las cualidades de los mismos, etcétera), pero con números. Así, cada objeto, cada matiz del mismo, incluso cada orden para hacer funcionar una máquina (por compleja que sea) tendrá asignada en la computación cuántica una cifra determinada que se corresponderá con un nivel de probabilidad. O, si se quiere, con un estado concreto del átomo y del electrón dentro de éste.

¿Cómo funcionarán los ordenadores cuánticos?

Quien tenga el privilegio de poder visitar alguna institución que posea un ordenador cuántico se sorprenderá de ver en qué consiste éste. Por el momento, los prototipos existentes son grandes habitaciones acristaladas a las que se les ha hecho el vacío total y que son continuamente atravesadas por rayos láser. Al interior de estas habitaciones sólo se ha dejado pasar unos pocos átomos, filtrándolos con complejos sitemas; hay que pensar que en condiciones normales, en un centímetro cuadrado caben billones de átomos. Cirac Sasturain aseguraba hace un año que lo máximo que se había conseguido eran ordenadores de siete átomos.

Los átomos son continuamente 'atravesados' por los rayos láser, con el fin de determinar las sucesivas posiciones de sus electrones

Los átomos son continuamente 'atravesados' por los rayos láser, con el fin de determinar las sucesivas posiciones de sus electrones y manipularlas de modo que esa información se pueda convertir en 'información transmisible'. El objetivo de un ordenador cuántico es trabajar finalmente dando órdenes mediante la manipulación de la posición del electrón en el átomo, de manera que dicha posición (en este caso la probabilidad de hallarse en la misma) signifique una información concreta que transmitir.

Según declaraba en una entrevista hace un año el científico español, por el momento se ha conseguido que el 'ordenador de siete átomos' "sume, reste y factorice un número como 15". También aseguraba que él y su equipo internacional están en la frontera de conseguir ordenadores experimentales de 50 y 100 'qbits'. Para hacerse una idea de lo que significa este nivel, hay que pensar que un ordenador de 500 'qbits' equivaldría, en potencia y velocidad de procesado, a un ordenador actual con un número muy superior al billón de billones de procesadores. Es decir, algo no sólo imposible sino impensable en la computación binaria.

Por el momento todo esto entra dentro del campo de la teoría y la ciencia experimental, aunque ya hay empresas, como IBM, que aseguran estar fabricando prototipos útiles. IBM anunció en 2000 que estaba creado un prototipo cuántico bautizado como 'Blue Gene'. Este ordenador estaría destinado a fabricar proteínas humanas con el fin de estudiar ciertas enefermedades. Pero lo cierto es que hasta la fecha sólo se han conseguido versiones muy elementales de lo que se supone que en el futuro será el ordenador cuántico. Los primeros modelos mínimamente funcionales se esperan para la década de los años 20 del presente siglo.

¿Para qué servirán?

Los ordenadores cuánticos no funcionan con microcircuitos sino con cámaras de átomos. Tendrán una utilidad muy concreta: realizar los cálculos más complejos a enorme velocidad. Se utilizarán en la investigación principalmente y no hay seguridad, por el momento, en que lleguen a tener una versión para el usuario. Entre otros motivos porque no tienen capacidad para almacenar datos, por lo que por muy rápido que procesen la información, está deberá ser traducida posteriormente a código binario si se desea guardarla. Además, aunque pudiesen almacenar información, sería necesario que toda la tecnología digital cambiase: en lugar de cámaras digitales habría 'cámaras cuánticas' y lo mismo sucedería con la reproducción del sonido, la imágen...


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