El potencial desorbitado de los ordenadores cuánticos actuales

 Los ordenadores cuánticos son una realidad, escasos, pero reales. Tienen una capacidad infinitamente superior a la de los superordenadores de hoy en día y están generando gran expectación debido a su potencial. Veamos en qué consisten y cuáles son sus proyectos más avanzados.

Si bien actualmente nos pueden resultar lejanos, la computación y las computadoras cuánticas son una realidad, aunque aún no hayan llegado al mercado de forma convencional todavía. En Amazon solo encontraremos libros sobre esta materia por el momento. Estamos ante un caso similar al de los equipos tradicionales. Cuando se comenzaron a desarrollar ocupaban salas enteras de los laboratorios en las Universidades más importantes del mundo. Actualmente todo el mundo dispone de un dispositivo mucho más potente en su mano, los smartphones. Con los dispositivos de este tipo las limitaciones actuales son similares, aunque con diferencias.

Qué es un ordenador cuántico

Este ordenador se basa en la mecánica con el mismo nombre para realizar cálculos y operaciones. La propia mecánica cuántica es un misterio en algunos aspectos para los expertos, pero ya se están desarrollando equipos realmente potentes. El principal avance con este tipo de dispositivos es la inmensa potencia que ofrecen para realizar todo tipo de procesos complejos, cálculos y simulaciones con partículas subatómicas, moléculas y otro tipo de patrones.

Diferencias con los ordenadores convencionales

La clave de estos equipos es la forma en la que procesan la información y hacen los cálculos. Uno convencional utiliza los bits para generar pulsos eléctricos que representan unos o ceros, de forma que solo pueden adquirir un estado: 1 o 0. Con este lenguaje binario se representa toda la información procesada de forma digital incluyendo smartphones, tablets y cualquier otro dispositivo.

Estos ordenadores trabajan con Qubits, partículas subatómicas, que pueden permanecer en dos estados diferentes de forma simultánea. Además, gracias a las propiedades de superposición (capacidad para estar simultáneamente en múltiples estados) y entrelazado (una pareja de Qubits que representan sus estados alterando el del otro Qubit instantáneamente permite el crecimiento exponencial de la potencia de procesamiento), un Qubit puede representar 4 estados diferentes: 0/0, 1/1, 0/1 y 1/0.

Todo esto permite que la potencia de procesamiento crezca exponencialmente con el incremento de Qubits. Con tres Qubit realizaremos 2³ operaciones, con 5 más de mil operaciones (25), manteniendo las 5 operaciones que realizarían 5 bits de uno convencional.

Potencial y limitaciones

El potencial de procesamiento es brutal, solo 30 Qubits serían necesarios para alcanzar la capacidad de procesamiento de los equipos más potentes del mundo. Es por eso que las primeras máquinas de este tipo se están empleado para realizar cálculos y simulaciones complejos relacionados con la química, el estudio de nuevas formas de materia, etc.

Por otro lado, la limitación de estas máquinas es la forma en la que se puede mantener el estado óptimo de los Qubits mencionados. Al tratarse de partículas subatómicas son muy sensibles a la temperatura y la humedad, de manera que pueden perder fácilmente sus propiedades cuánticas. Para que un equipo de estas características funcione correctamente tiene que estar dentro de cámaras de vacío refrigeradas son sistemas antivibración puesto que los Qubits son controlados mediante láseres o rayos de microondas. De hecho, la calidad de estos Qubits puede variar en función a las condiciones de mantenimiento a las que son sometidos, por lo que el rendimiento real de este tipo de chips es variable.

Proyectos más avanzados

Desde el primer ordenador de este tipo para uso comercial, el IBM Q System One, se han lanzado diferentes proyectos basados en la computación cuántica.

Berkeley Lab

Uno de los equipos de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley ha utilizado un dispositivo de 20 Qubits con el chip IBM Q Johannesburg para simular una lluvia de partones. El partón era una partícula hipotética que se encontraba en protones y neutrones enlazados de manera estable.

De esta manera, gracias al equipo de IBM se ha desarrollado un algoritmo que explica la complejidad de ese tipo de lluvias, algo que con los superordenadores convencionales hubiese sido mucho más lento y complicado. El avance ha sido importante no solo por la simulación de partones como las que se realizan en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN sino por el hecho de que se pueden simular lluvias de partículas de forma eficiente en estos equipos de procesamiento.

Supremacía cuántica de Google

El concepto de supremacía cuántica se refiere a la capacidad para realizar procesos complejos que los dispositivos clásicos no son capaces. Y ha sido el Google quién ha declarado alcanzar la supremacía en el campo de la química a finales del año 2020.

Los investigadores de Google han utilizado una computadora con el chip Sycamore de 53 Qubits. Lo que han logrado es simular con éxito una reacción química sencilla. Con esto se abre un abanico inmenso de posibilidades para realizar este tipo de cálculos que hasta ahora no era posible.

Para llegar a esta conclusión, en el proyecto se realizaron experimentos entre los que se simulaba el estado de energía de 12 átomos de Hidrógeno y la reacción química de una molécula compuesta por átomos de Hidrógeno y Nitrógeno.

OpenSuperQ

Este es el proyecto para el desarrollo de uno de los dispositivos más potentes del mundo impulsado por el Programa de Investigación e Innovación Horizonte de la UE 2020 a través de Quantum Flagship y desarrollado por universidades y centros de investigación alemanes, suizas, suecas y finlandesas.

El objetivo es destinar la capacidad de este equipo al campo de la ciencia de forma que investigadores y científicos puedan acceder a él a través de la nube. Este proyecto está desarrollando un hardware con un chip de entre 50 y 100 Qubits y el software de desarrollo para crear los algoritmos cuánticos para manejar tal cantidad de Qubits.

Las aplicaciones que permite el proyecto OpenSuperQ es el diseño de nuevos materiales, simulación de reacciones químicas, proyecciones de comportamientos en el sector de las finanzas y el machine Learning.

Quantum System One (Alemania)

El país germano ha adquirido el ordenador más potente de Europa en la actualidad (julio de 2021), el Quantum System One de IBM. Precisamente está ubicado en el centro de datos que la firma desarrolladora tiene en Ehningen (Alemania).

Tiene un chip de 27 Qubits y necesita estar protegido por una estructura cilíndrica de cristal ultrarresistente (idéntico al que protege la Mona Lisa en el Louvre) y refrigerado con un criostato (sistema especial de refrigeración).

Aunque las simulaciones que se realizan ahora son de carácter limitado, el Quantum System One de IBM será empleado para realizar cálculos y simulaciones especiales en torno a materiales de almacenamiento de energía como objetivo prioritario. Aunque también está previsto que se utilice para la optimización de activos financieros.

Honeywell

Dos empresas, Honeywell Quantum Solutions y Cambridge Quantum Computing, son líderes en este campo y han decidido unirse para crear la computadora cuántica más potente del mundo junto con el desarrollo del software específico que permita una gestión óptima de los recursos.

Este ordenador ofrecería sus servicios a los clientes de Honeywell (principal propietario del proyecto) y CQC con la ayuda de más de 300 científicos e investigadores especializados en desarrollo de algoritmos y software cuánticos. Se cree que será capaz de realizar importantes avances en materia de ciberseguridad, finanzas, desarrollo de nuevos medicamentos, estudio de nuevos materiales, procesamiento del lenguaje natural y otras áreas similares.