La transformació digital està canviant el món més ràpid que mai. Conèixer els conceptes clau de l'era digital serà encara més crític amb l'arribada imminent d'una altra nova onada de tecnologia capaç de transformar els models existents amb una velocitat i una potència sorprenents: la informàtica quàntica.
En aquest article, comparem els conceptes bàsics de la informàtica tradicional i la informàtica quàntica, i també comencem a explorar la seva aplicació en diferents àrees.
Quines són les propietats quàntiques?
Al llarg de la història, els humans han desenvolupat tecnologia a mesura que han arribat a comprendre el funcionament de la natura a través de la ciència. Entre els anys 1900 i 1930, l'estudi d'alguns fenòmens físics encara no ben entès va donar lloc a una nova teoria física: la Mecànica Quàntica. Aquesta teoria descriu i explica el funcionament del món microscòpic, l'hàbitat natural de les molècules, els àtoms i els electrons.
No només ha pogut explicar aquests fenòmens, sinó que també ha permès entendre que la realitat subatòmica funciona d'una manera totalment contraintuïtiva, gairebé màgica, i que en el món microscòpic tenen lloc esdeveniments que no es produeixen en el món macroscòpic.
Aquestes propietats quàntiques inclouen la superposició quàntica, l'entrellat quàntic i la teletransportació quàntica.
- Superposició quàntica descriu com una partícula pot estar en diferents estats alhora.
- Enredament quàntic descriu com dues partícules es poden portar a un estat "entrellaçat" i, després d'això, responen gairebé simultàniament de la mateixa manera, malgrat la seva distància física. En altres paraules, es poden col·locar tan lluny com es desitgi i, quan interactua amb un, l'altre reacciona a la mateixa interacció.
- Teleportació quàntica utilitza l'entrellaçament quàntic per enviar informació d'un lloc a un altre de l'espai sense necessitat de viatjar per l'espai.
La computació quàntica es basa en aquestes propietats quàntiques de naturalesa subatòmica.
En aquest cas, la comprensió actual del món microscòpic a través de la Mecànica Quàntica ens permet inventar i dissenyar tecnologies capaços de millorar la vida de les persones. Hi ha moltes tecnologies diferents que utilitzen fenòmens quàntics, i algunes d'elles, com ara els làsers o la ressonància magnètica (MRI), fa més de mig segle que existeixen.
Què és la computació quàntica?
Per entendre com funcionen els ordinadors quàntics, primer és útil explicar com funcionen els ordinadors que fem servir cada dia, anomenats en aquest article ordinadors digitals o clàssics. Aquests, com tots els altres dispositius electrònics com tauletes o telèfons mòbils, utilitzen els bits com a unitats fonamentals de memòria. Això vol dir que els programes i les aplicacions estan codificats en bits, és a dir, en un llenguatge binari de zeros i uns.
Cada vegada que interactuem amb qualsevol d'aquests dispositius, per exemple prement una tecla del teclat, es creen, es destrueixen i/o es modifiquen cadenes de zeros i uns dins de l'ordinador.
La pregunta interessant és, quins són aquests zeros i uns físicament dins de l'ordinador? Els estats zero i un dels bits corresponen al corrent elèctric que flueix, o no, a través de parts microscòpiques anomenades transistors, que actuen com a interruptors. Quan no flueix corrent, el transistor està "apagat" i correspon a un bit 0, i quan flueix, està "encès" i correspon al bit 1.
D'una forma més simplificada, és com si els bits 0 i 1 corresponguessin a forats, de manera que un forat buit és un bit 0 i un forat ocupat per un electró és un bit 1. Ara que tenim una idea de com funcionen els ordinadors actuals , intentem entendre com funcionen els ordinadors quàntics.
De bits a qubits
La unitat fonamental d'informació en la informàtica quàntica és el bit quàntic o qubit. Els qubits són, per definició, sistemes quàntics de dos nivells que, com els bits, poden estar al nivell baix, que correspon a un estat de baixa excitació o energia definit com a 0; o al nivell alt, que correspon a un estat d'excitació superior o definit com 1.
Tanmateix, i aquí rau la diferència fonamental amb la informàtica clàssica, els qubits també poden estar en qualsevol d'un nombre infinit d'estats intermedis entre 0 i 1, com ara un estat que és la meitat 0 i la meitat 1, o tres quarts de 0 i un quart. d'1. Aquest fenomen es coneix com a superposició quàntica i és natural en els sistemes quàntics.
Algoritmes quàntics: informàtica exponencialment més potent i eficient
El propòsit dels ordinadors quàntics és aprofitar aquestes propietats quàntiques dels qubits, com a sistemes quàntics, per poder executar algorismes quàntics que utilitzen la superposició i l'entrellat per oferir una potència de processament molt més gran que els clàssics.
És important assenyalar que el veritable canvi de paradigma no consisteix a fer el mateix que fan els ordinadors digitals o clàssics -els actuals-, sinó més ràpid, com afirmen erròniament molts articles, sinó que els algorismes quàntics permeten fer determinades operacions. interpretat d'una manera totalment diferent; que sovint és més eficient -és a dir, en molt menys temps o utilitzant molts menys recursos computacionals-.
Vegem un exemple concret del que això implica. Imaginem que som a San Francisco i volem saber quina és la millor ruta a Nova York d'entre un milió d'opcions per arribar-hi (N=1,000,000). Per poder utilitzar els ordinadors per trobar la ruta òptima, hem de digitalitzar 1,000,000 d'opcions, la qual cosa implica traduir-les al llenguatge de bits per a l'ordinador clàssic i a qubits per a l'ordinador quàntic.
Mentre que un ordinador clàssic hauria de recórrer tots els camins un per un fins a trobar el desitjat, un ordinador quàntic aprofita un procés conegut com a paral·lelisme quàntic que li permet, essencialment, considerar tots els camins alhora. Això implica que l'ordinador quàntic trobarà la ruta òptima molt més ràpid que l'ordinador clàssic, a causa de l'optimització dels recursos utilitzats.
Per entendre les diferències de capacitat computacional, amb n qubits podem fer l'equivalent al que seria possible amb 2n bits. Sovint es diu que amb uns 270 qubits podríeu tenir més estats base en un ordinador quàntic (cadenes de caràcters més diferents i simultànies) que el nombre d'àtoms de l'univers, que s'estima que és d'uns 2.80. Un altre exemple és que s'estima que amb un ordinador quàntic d'entre 2000 i 2500 qubits es podria trencar pràcticament tota la criptografia que s'utilitza actualment (coneguda com a criptografia de clau pública).
Pel que fa a la criptografia, l'ús té nombrosos avantatges computació quàntica. Si dos sistemes estan purament entrellaçats, això significa que estan correlacionats entre si (és a dir, quan un canvia, l'altre també canvia) i cap tercer no comparteix aquesta correlació.
Menjar per emportar
Estem en un moment de transformació digital en què diferents tecnologies emergents com blockchain, intel·ligència artificial, drons, Internet de les coses, realitat virtual, 5G, impressores 3D, robots o vehicles autònoms estan cada cop més presents en múltiples àmbits i sectors.
Aquestes tecnologies, destinades a millorar la qualitat de vida humana accelerant el desenvolupament i generant impacte social, estan avançant en paral·lel. Només poques vegades veiem empreses desenvolupant productes que explotin combinacions de dues o més d'aquestes tecnologies, com ara blockchain i IoT o drons i intel·ligència artificial.
Tot i que estan destinats a convergir i generar així un impacte exponencialment més gran, l'etapa inicial de desenvolupament en què es troben i l'escassetat de desenvolupadors i persones amb formació tècnica fan que les convergències siguin encara una tasca pendent.
A causa del seu potencial disruptiu, s'espera que les tecnologies quàntiques no només convergin amb totes aquestes noves tecnologies, sinó que també tinguin una àmplia influència en pràcticament totes. Informàtica quàntica amenaçarà l'autenticació, l'intercanvi i l'emmagatzematge segur de dades, amb un impacte més gran en aquelles tecnologies en què la criptografia juga un paper més rellevant, com la ciberseguretat o la cadena de blocs.
Deixa un comentari