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La transformación digital está cambiando el mundo más rápido que nunca. Aprender sobre los conceptos clave de la era digital se volverá aún más crítico con la llegada inminente de otra nueva ola de tecnología capaz de transformar los modelos existentes con una velocidad y potencia asombrosas: la computación cuántica.
En este artículo, comparamos los conceptos básicos de la computación tradicional y la computación cuántica, y también comenzamos a explorar su aplicación en diferentes áreas.
¿Qué son las propiedades cuánticas?
A lo largo de la historia, los humanos han desarrollado tecnología a medida que han llegado a comprender el funcionamiento de la naturaleza a través de la ciencia. Entre los años 1900 y 1930, el estudio de algunos fenómenos físicos que aún no se entendían bien dio lugar a una nueva teoría física: la Mecánica Cuántica. Esta teoría describe y explica el funcionamiento del mundo microscópico, el hábitat natural de las moléculas, átomos y electrones.
No sólo ha sido capaz de explicar estos fenómenos, sino que también ha hecho posible comprender que la realidad subatómica funciona de una manera totalmente contraintuitiva, casi mágica, y que en el mundo microscópico tienen lugar acontecimientos que no ocurren en el mundo macroscópico.
Estas propiedades cuánticas incluyen superposición cuántica, entrelazamiento cuántico y teletransportación cuántica.
- superposición cuántica describe cómo una partícula puede estar en diferentes estados al mismo tiempo.
- Entrelazamiento cuántico describe cómo dos partículas pueden ser llevadas a un estado “enredado” y, después de eso, responder casi simultáneamente de la misma manera, a pesar de su distancia física. En otras palabras, se pueden colocar tan separados como se desee y, al interactuar con uno, el otro reacciona a esa misma interacción.
- Teletransporte cuántico utiliza el entrelazamiento cuántico para enviar información de un lugar del espacio a otro sin necesidad de viajar por el espacio.
La computación cuántica se basa en estas propiedades cuánticas de naturaleza subatómica.
En este caso, la comprensión actual del mundo microscópico a través de la Mecánica Cuántica nos permite inventar y diseñar tecnologías capaces de mejorar la vida de las personas. Hay muchas tecnologías diferentes que utilizan fenómenos cuánticos, y algunas de ellas, como los láseres o las imágenes por resonancia magnética (IRM), existen desde hace más de medio siglo.
¿Qué es la computación cuántica?
Para comprender cómo funcionan las computadoras cuánticas, es útil explicar primero cómo funcionan las computadoras que usamos todos los días, denominadas en este artículo computadoras digitales o clásicas. Estos, como todos los demás dispositivos electrónicos como tabletas o teléfonos móviles, utilizan bits como sus unidades fundamentales de memoria. Esto significa que los programas y aplicaciones están codificados en bits, es decir, en un lenguaje binario de ceros y unos.
Cada vez que interactuamos con alguno de estos dispositivos, por ejemplo al presionar una tecla en el teclado, se crean, destruyen y/o modifican cadenas de ceros y unos dentro de la computadora.
La pregunta interesante es, ¿qué son estos ceros y unos físicamente dentro de la computadora? Los estados cero y uno de los bits corresponden a la corriente eléctrica que fluye, o no, a través de unas piezas microscópicas llamadas transistores, que actúan como interruptores. Cuando no fluye corriente, el transistor está "apagado" y corresponde a un bit 0, y cuando fluye, está "encendido" y corresponde a un bit 1.
De forma más simplificada, es como si los bits 0 y 1 correspondieran a huecos, de modo que un hueco vacío es un bit 0 y un hueco ocupado por un electrón es un bit 1. Ahora que tenemos una idea de cómo funcionan los ordenadores actuales , intentemos entender cómo funcionan las computadoras cuánticas.
De bits a qubits
La unidad de información fundamental en la computación cuántica es el bit cuántico o qubit. Los qubits son, por definición, sistemas cuánticos de dos niveles que, al igual que los bits, pueden estar en el nivel bajo, que corresponde a un estado de baja excitación o energía definido como 0; o en el nivel alto, que corresponde a un estado de mayor excitación o definido como 1.
Sin embargo, y aquí radica la diferencia fundamental con la computación clásica, los qubits también pueden estar en cualquiera de un número infinito de estados intermedios entre 0 y 1, como un estado que es mitad 0 y mitad 1, o tres cuartos de 0 y un cuarto de 1. Este fenómeno se conoce como superposición cuántica y es natural en los sistemas cuánticos.
Algoritmos cuánticos: informática exponencialmente más potente y eficiente
El objetivo de los ordenadores cuánticos es aprovechar estas propiedades cuánticas de los qubits, como sistemas cuánticos, para poder ejecutar algoritmos cuánticos que utilicen la superposición y el entrelazamiento para ofrecer una potencia de procesamiento mucho mayor que los clásicos.
Es importante señalar que el verdadero cambio de paradigma no consiste en hacer lo mismo que hacen las computadoras digitales o clásicas -las actuales-, pero más rápido, como afirman erróneamente muchos artículos, sino que los algoritmos cuánticos permiten realizar ciertas operaciones. realizado de una manera totalmente diferente; que muchas veces es más eficiente -es decir, en mucho menos tiempo o utilizando muchos menos recursos computacionales-.
Veamos un ejemplo concreto de lo que esto implica. Imaginemos que estamos en San Francisco y queremos saber cuál es la mejor ruta a Nueva York entre un millón de opciones para llegar (N=1,000,000). Para poder usar las computadoras para encontrar la ruta óptima, necesitamos digitalizar 1,000,000 de opciones, lo que implica traducirlas a lenguaje bit para la computadora clásica y a qubits para la computadora cuántica.
Mientras que una computadora clásica necesitaría recorrer todos los caminos uno por uno hasta encontrar el deseado, una computadora cuántica aprovecha un proceso conocido como paralelismo cuántico que le permite, esencialmente, considerar todos los caminos a la vez. Esto implica que la computadora cuántica encontrará la ruta óptima mucho más rápido que la computadora clásica, debido a la optimización de los recursos utilizados.
Para entender las diferencias en la capacidad computacional, con n qubits podemos hacer el equivalente a lo que sería posible con 2n pedacitos A menudo se dice que con alrededor de 270 qubits, podría tener más estados base en una computadora cuántica, más cadenas de caracteres diferentes y simultáneas, que la cantidad de átomos en el universo, que se estima en aproximadamente 280. Otro ejemplo es que se estima que con un ordenador cuántico de entre 2000 y 2500 qubits se podría romper prácticamente toda la criptografía que se usa hoy en día (conocida como criptografía de clave pública).
En lo que respecta a la criptografía, existen numerosas ventajas al usar computación cuántica. Si dos sistemas están puramente entrelazados, eso significa que están correlacionados entre sí (es decir, cuando uno cambia, el otro también cambia) y ningún tercero comparte esta correlación.
Lo que aprendiste
Estamos en un momento de transformación digital en el que diferentes tecnologías emergentes como blockchain, inteligencia artificial, drones, Internet de las Cosas, realidad virtual, 5G, impresoras 3D, robots o vehículos autónomos están cada vez más presentes en múltiples campos y sectores.
Estas tecnologías, que están destinadas a mejorar la calidad de vida humana acelerando el desarrollo y generando impacto social, actualmente avanzan en forma paralela. Solo en raras ocasiones vemos empresas que desarrollan productos que explotan combinaciones de dos o más de estas tecnologías, como blockchain e IoT o drones y inteligencia artificial.
Si bien están destinados a converger y generar así un impacto exponencialmente mayor, la etapa temprana de desarrollo en la que se encuentran y la escasez de desarrolladores y personas con formación técnica hacen que las convergencias sigan siendo una tarea pendiente.
Debido a su potencial disruptivo, se espera que las tecnologías cuánticas no solo converjan con todas estas nuevas tecnologías, sino que también tengan una amplia influencia en prácticamente todas ellas. Computación cuántica amenazará la autenticación, intercambio y almacenamiento seguro de datos, teniendo un mayor impacto en aquellas tecnologías en las que la criptografía juega un papel más relevante, como la ciberseguridad o blockchain.
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