Todo lo que necesitas saber sobre computadoras cuánticas

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No nos importa que la capacidad de cálculo de las computadoras haya crecido enormemente en los últimos 50 años,seguimos queriendo más. No sólo para que el último videojuego funcione a máxima velocidad, sino por algunos intereses que no tienen nada de lúdicos.

Los fabricantes de microprocesadores nos asombran año tras año amontonando más y más transistores dentro de procesadores del mismo tamaño. Estos, que son el «cerebro» de las computadoras, son más rápidos cuantos más de estos semiconductores albergan en su interior. La capacidad de cálculo se mide en flops (FLoating-point Operations Per Second, es decir Operaciones de Punto Flotante por Segundo). Pensémoslo como el número de cálculos que puede hacer por unidad de tiempo. Todo lo que hace una computadora es una operación de algún tipo, desde mostrar esta nota en la pantalla hasta calcular si la pelota entró o no al arco en el PES. Una PC como la que cualquiera tiene en su escritorio, con un procesador de 2,5 GHz, realiza unos 10 gigaflops (10 mil millones o 1010 flops). La computadora más rápida del mundo al momento de escribir esta nota es la china Tianhe-2 (Vía Láctea-2) que opera a 30,7 petaflops (1015 flops)

En caso de que tengan dudas con los números grandes los invito a leer esta nota.

Llegados a este punto es lógico hacernos algunas preguntas:

  • ¿Por qué los microprocesadores utilizan transistores?

Toda la información que maneja una computadora, incluso la que se almacena en el disco duro, está codificada como una sucesión de ceros y unos. Esto es lo que se denomina sistema binario. Los transistores pueden pensarse como los interruptores que utilizamos para encender y apagar las luces de nuestra casa: dejan pasar la corriente (luz encendida) o la cortan (luz apagada). Podemos definir que tenemos un 1 cuando pasa la corriente y un 0 cuando no pasa. Manipulando los transistores codificamos cualquier instrucción que deba ejecutar la computadora. Cada 1 o 0 representa un bit de información, la mínima unidad que entiende la computadora. En el caso de la información guardada en un disco los ceros y unos se representan mediante la orientación magnética del material que lo compone.

  • ¿Cuántos transistores podemos agrupar en un microprocesador?

En general podemos decir que hay un límite tecnológico y un límite físico. Los transistores, igual que cualquier componente electrónico, producen calor cuando funcionan. Muchos de ellos en un espacio reducido producen mucho calor (algo así como los pasajeros de un colectivo a la hora pico). Si husmean dentro del gabinete de su computadora verán que justo sobre el microprocesador hay un pequeño ventilador. Si aumentamos cada vez más el número de transistores en el mismo espacio, en algún momento el calor será demasiado. ¿El límite físico? Bueno…lo más pequeño que podemos manipular es un átomo o una molécula. ¿Ya adivinaron? Si podemos codificar un bit utilizando alguna propiedad de un átomo o una molécula, entonces tendríamos la posibilidad de reducir muchísimo el tamaño de un microprocesador y, además, hacer que la velocidad de procesamiento se multiplique (¡tal vez por un millón!) por el motivo que explicaré más adelante.

Ya existen computadoras cuánticas, aunque muy básicas. Se codifican quantum bits o qbits utilizando campos magnéticos u materiales especiales, pero en ningún caso se llegó a superar los 20 qbits. Esto limita mucho la capacidad de procesamiento. Lo asombroso (tanto como la misma Mecánica Cuántica) es que el estado de un qbit puede ser 0 o 1 o cualquier superposición de ambos. En otras palabras, tiene una cierta probabilidad de ser 1 o 0. Esto implica que mientras una computadora clásica tiene un estado definido para cada bit, una cuántica puede tener millones de estados diferentes al mismo tiempo y le permite realizar muchas operaciones a la vez. ¿Hay un límite para esto? Sí, la propia cuántica nos dice que una vez que leemos el estado del qbit, éste se define como 0 o 1. La propia lectura altera el sistema. Es por eso que en los últimos años la investigación se centra en desarrollar métodos de lectura que no modifiquen el estado del qbit, además de la posibilidad de manejar un número cada vez mayor de ellos.

Nos queda pendiente la explicación de por que desarrollar una computadora tan rápida. Sin dudas sería beneficioso desde muchos aspectos. Prácticamente todos los aparatos que utilizamos hoy en día tienen alguna capacidad de procesamiento y programación. Multiplicar la velocidad por un millón nos lleva a fantasear con todos los posibles usos que tendría un procesador cuántico. Sin embargo, la principal aplicación de estas computadoras tiene que ver con algo mucho menos inocente: la codificación de la información. La criptografía estudia la manera de hacer que un mensaje sea imposible de descifrar para quien no posea la clave. Existen sistemas cada vez más sofisticados y, por supuesto, los métodos para romper estas codificaciones cada vez son más costosos en cuanto a tiempo de procesamiento en supercomputadoras. Es simplemente por esto que hay una carrera por obtener computadoras (tradicionales y cuánticas) cada vez mejores. El conocimiento es poder y ocultarlo es el negocio, para poder compartirlo solo con quienes queremos.

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