La Revolución Cuántica Tecnológica

Introducción a la Computación e Información Cuántica (parte I)

A lo largo del último siglo la humanidad ha intentado desentrañar y comprender las leyes físicas que rigen el mundo a la escala microscópica. Hoy en día nos encontramos en un momento histórico en el cual ciertos aspectos y fenómenos de la Mecánica Cuántica pueden ser utilizados como recursos en novedosas tecnologías con aplicaciones de amplio alcance y con el potencial de revolucionar diversos campos del conocimiento. Este es el primer artículo de la serie “La Revolución Cuántica Tecnológica”. En esta serie se realizará un recorrido por las nuevas tecnologías basadas en las leyes de la Mecánica Cuántica, sus aplicaciones y sus implicaciones en nuestra vida cotidiana.

Reseña Histórica de la Computación y la Información Cuántica

La evolución de la computadora moderna ha implicado una serie de cambios de un tipo de realización física a otra: de engranajes a relés, a transistores, a circuitos integrados... Hace apenas 75 años, el primer ordenador electrónico digital totalmente programable era una enorme máquina del tamaño de una habitación que pesaba alrededor de una tonelada, utilizaba cientos de tubos de vacío, y cuya entrada era a través de cintas perforadas. Gracias a múltiples avances científicos y tecnológicos, las computadoras han evolucionado para ser más rápidas, más pequeñas y más potentes. Hoy en día podemos encontrar ordenadores en casi cualquier lugar en el que los busquemos, y la creciente demanda de poder de procesamiento que nuestras sociedades exigen es un desafío que no debe tomarse a la ligera.

En 1965, Gordon E. Moore, cofundador de Intel, postuló una observación que llegó a conocerse como la “Ley de Moore”. Según esta ley empírica, el poder de procesamiento de las computadoras debería de duplicarse cada dos años, y esta predicción ha demostrado ser cierta durante varias décadas. Sin embargo, como la mayoría de las cosas buenas, este crecimiento exponencial está llegando a su fin y alcanzando sus límites. A medida que el tamaño de los procesadores de los ordenadores se ha reducido a la escala microscópica, los electrones en los circuitos eléctricos comienzan a revelar su naturaleza cuántica, y las reglas de la Física Clásica ya no son válidas. Por lo tanto, para resolver este problema se plantea la siguiente cuestión: podemos tratar de desarrollar nuevos chips que nos permitan eludir la naturaleza cuántica del electrón o usar los principios de la Mecánica Cuántica para desarrollar nuevas computadoras y nuevas formas de procesamiento de información.

La Mecánica Cuántica es una revolucionaria teoría desarrollada a principios del siglo XX que permitió a la comunidad científica introducir nuevas formas para describir sistemas físicos. En particular, descubrieron el hecho de que, en general, el estado de un sistema cuántico no puede describirse a partir de los estados de sus constituyentes debido a la existencia de correlaciones cuánticas entre ellos. En 1935, los físicos Einstein, Podolski y Rosen fueron los primeros en destacar los estados cuánticos correlacionados, y fue el físico austríaco Erwin Schrödinger quien acuñó el término "Entrelazamiento" para nombrar esas correlaciones cuánticas.

¿Qué es el Entrelazamiento?'

Supongamos que tenemos dos pequeñas partículas, y que éstas pueden estar en dos posibles estados. Llamemos a esos estados “arriba” y “abajo” (como perfectamente podríamos llamarles “cara” y “seca” en caso de que las partículas fueran monedas).

Si las partículas son clásicas, entonces éstas solamente pueden estar en uno de los dos estados a la vez. Por ejemplo, cuando tiramos una moneda esta sólo puede caer en “cara” o “seca”. Incluso, si tiramos la moneda y no vemos el resultado, sabemos que está en uno de esos dos estados. Sin embargo, para partículas cuánticas las leyes de la Mecánica Cuántica nos dicen que pueden pasar dos cosas. La primera es que cuando veamos la partícula ésta estará en uno de los dos posibles estados, en “arriba” o en “abajo”. Pero cuando no la vemos, la partícula puede estar en una combinación de los dos, el estado será una superposición de “arriba” con “abajo”. En el mundo de la mecánica cuántica el simple hecho de observar las partículas cambia su estado, lo “colapsa” en una de las posibilidades.

El segundo fenómeno posible es que cuando dos o más partículas interactúan estas pueden quedar en un estado “entrelazado”, es decir, en el que forman juntas una superposición. Por lo tanto, sus propiedades físicas están conectadas. De esto modo las partículas pueden prepararse de tal forma que si observamos una de ella y ésta está en el estado “arriba”, sabemos inmediatamente que la otra estará en el estado “abajo”, aún si no la observamos nunca (y viceversa). Como rápidamente descubrieron los físicos, el entrelazamiento da lugar a fenómenos muy extraños e interesantes. Imaginemos que tenemos dos partículas entrelazadas, y que las separamos tanto como queramos. Por ejemplo, podría quedarnos con una aquí en la tierra y enviamos la otra a la galaxia de Andrómeda. La Mecánica Cuántica nos dice que las partículas siempre permanecerán entrelazadas irrelevantemente de cuánto las separemos. Además, la teoría nos dice que si observamos una de ellas, y por lo tanto cambiamos su estado, también cambiará el estado de la otra.

Debido al Entrelazamiento entre las partículas, lo que le suceda a una afecta instantáneamente a la otra sin importar que tan lejos estén entre ellas.

Si esto les parece poco intuitivo y extremadamente extraño no se preocupen. El mismísimo Albert Einstein pensaba que el entrelazamiento era absurdo, y para describirlo utilizó el término “acción fantasmagórica a distancia”.

Una de las consecuencias más importantes de la existencia del entrelazamiento está relacionado con la cantidad de información que se necesita para describir el

estado de un sistema cuántico. Debido a la presencia de las correlaciones, la cantidad de parámetros necesarios para caracterizar un estado (la cantidad de información que se requiere para que otra persona pueda reconstruir el sistema)

aumenta exponencialmente con el tamaño del sistema. Por lo tanto, esto hace que simular un sistema cuántico sea una tarea muy complicada. La cantidad de recursos computacionales necesarios para la simulación del sistema muy rápidamente se vuelven inalcanzables con las computadoras que poseemos actualmente.

Poder utilizar computadoras cuánticas para simular sistemas físicos permitirá obtener revolucionarios avances en campos como la física, la química, la medicina y la ingeniería.

Una de las posibles soluciones a este problema no llegó sino hasta 1982, cuando Richard Feynman, un físico galardonado con el premio Nobel,[quien, además de sus extraordinarias contribuciones a la física, era un excelente músico que tocaba los bongos] conjeturó que las limitaciones de las computador clásicas podrían ser superadas utilizando computadoras basadas en sistemas cuánticos. Gracias a revolucionarias ideas como esta conjetura, los físicos han utilizado la Mecánica Cuántica para desarrollar computadoras que sean capaces no solamente de simular sistemas cuánticos, sino también de resolver problemas que son intratables en computadoras clásicas. [Cuanto mayor es el tamaño de un sistema la cantidad de recursos para simularlo aumenta en forma exponencial].

Es así como nació un nuevo campo del conocimiento conocido como Computación e Información Cuántica.

El potencial de los ordenadores cuánticos: de los algoritmos cuánticos a nuevas formas de transmisión de información.

Como ya se mencionó, la simulación de sistemas cuánticos es una tarea que se puede realizar en forma más eficiente en un computador cuántico que en uno clásico. Si bien éste es un ejemplo del potencial de estos novedosos ordenadores, aún no está completamente claro cuáles serían todos sus alcances. Sin embargo, se conocen hoy en día varias aplicaciones de gran utilidad que muestran las capacidades de las computadoras cuánticas. A mediados de la década de los 80 el físico británico David Deutsch propuso el primer algoritmo cuántico y mostró que éste puede llevar a cabo cierta tarea computacional con mayor eficiencia que su análogo clásico. A partir de ese momento se han desarrollado múltiples algoritmos cuánticos, siendo uno de los más importantes el que propuso Peter Schor en 1994. El algoritmo de este matemático mostró que los ordenadores cuánticos pueden factorizar números exponencialmente más rápido que cualquier computadora clásica. Factorizar un número es expresarlo como producto de números primos, como por ejemplo: 450=2*3*3*5*5. Aunque no lo parezca a primera vista, este resultado hizo más que mostrar el potencial de la computación cuántica ya que sus aplicaciones tienen implicaciones profundas en el campo de criptografía y ciberseguridad.

El algoritmo de Schor cambió la forma en la que se hace criptografía.

Cuando enviamos un mensaje por internet que contiene información sensible o privada (números de tarjeta de crédito, correos electrónicos, información de transacciones, etc…) usualmente éste es encriptado, de manera que la información esté codificada para protegerla frente a terceros que puedan interceptar y copiar el mensaje.

Uno de los protocolos de encriptación más utilizados es el sistema criptográfico de clave pública RSA. La seguridad de este sistema radica en el problema de factorizar grandes números enteros ya que éste no se puede resolver eficientemente con ordenadores clásicos. Con este protocolo, cuando enviamos un mensaje lo convertimos en un número que está relacionado con el producto de dos números primos grandes

elegidos al azar. Por lo tanto, si alguien logra interceptar el mensaje e intenta descifrarlo para robar la información que contiene, debería de poder factorizar el número que contiene la información del mensaje. Con los algoritmos clásicos actualmente conocidos esta tarea podría tomarle años.

Sin embargo, el algoritmo de factorización de Schor puede resolver en forma eficiente el problema de factorizar grandes números. Y por lo tanto, un ordenador cuántico suficientemente potente podría ser utilizado para vencer el sistema RSA.

Ahora bien, antes que empecemos a culpar a los físicos por darles una herramienta poderosa a los ladrones de información, es importante saber que existe la Criptografía cuántica, la cual estudia formas completamente seguras de intercambiar información cuya confidencialidad está asegurada por las mismas leyes de la física.

Un hallazgo importante es el algoritmo cuántico de búsqueda propuesto por Lov Grover en 1997, que permite reducir cuadráticamente el número de pasos necesarios para encontrar un elemento en una base de datos desordenada. Es decir que, por ejemplo, en lugar de realizar 16 pasos, realizamos solo 4. Un ordenador cuántico puede encontrar un elemento en una base de datos desordenada en forma más eficiente.

Los algoritmos cuánticos aprovechan ciertos principios y fenómenos de la Mecánica Cuántica para realizar tareas en forma más eficiente que sus análogos clásicos.

Por otro lado, los físicos han descubierto que las propiedades de la Mecánica Cuántica pueden dar lugar a novedosas formas de transmisión de información. Por ejemplo, el protocolo de teleportación cuántica permite transmitir información de un lugar a otro sin necesidad que la información viaje a través del espacio que separa al receptor del emisor. Por otro lado, el campo de la Criptografía Cuántica estudia formas completamente seguras de intercambiar información, en las cuales la confidencialidad del mensaje está asegurada por las mismas leyes de la física.

A lo largo de las últimas décadas tanto físicos teóricos como experimentales, matemáticos, ingenieros, químicos e informáticos han trabajado arduamente para desarrollar propuestas y aplicaciones teóricas de la Computación e Información Cuántica y llevar al límite nuestro entendimiento de las leyes físicas del mundo. Hoy por hoy estamos en un momento en el cual estas propuestas están siendo finalmente realizadas, construidas y comercializadas, y muy pronto tendrán impactos directos en nuestras vidas cotidianas.

El futuro cuántico ya está aquí. ¿Estás listo?