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Primer plano del ordenador cuántico de IBM

Publicado: 28 de febrero de 2024
Colaboradores: Josh Schneider, Ian Smalley

¿Qué es un qubit?

Un qubit, o bit cuántico, es la unidad básica de información utilizada para codificar datos en computación cuántica y puede entenderse mejor como el equivalente cuántico del bit tradicional utilizado por los ordenadores clásicos para codificar información en binario.

El término "qubit" se atribuye al físico teórico estadounidense Benjamin Schumacher. Los qubits se crean generalmente, aunque no de forma exclusiva, manipulando y midiendo partículas cuánticas (los bloques de construcción más pequeños conocidos del universo físico), como fotones, electrones, iones atrapados, circuitos superconductores y átomos. 

Habilitados por las propiedades únicas de la mecánica cuántica, los ordenadores cuánticos utilizan qubits para almacenar más datos que los bits tradicionales, mejorar en gran medida los sistemas criptográficos y realizar cálculos muy avanzados que incluso los superordenadores clásicos tardarían miles de años (o les resultaría imposible) en completar.

Impulsados por qubits, los ordenadores cuánticos pronto podrían resultar fundamentales para abordar muchos de los mayores retos de la humanidad, como el cáncer y otras investigaciones médicas, el cambio climático, el machine learning y la inteligencia artificial (IA)

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Comprender la computación cuántica

La computación cuántica, que representa la próxima generación en potencia de computación, utiliza tecnología especializada (incluido hardware informático y algoritmos que aprovechan los principios de la mecánica cuántica) para resolver problemas complejos que los ordenadores o superordenadores clásicos no pueden resolver (o no pueden hacerlo con la suficiente rapidez).

Propuesto por primera vez en la década de 1980, el desarrollo de los ordenadores cuánticos ha recorrido un largo camino desde la teoría pura hasta las aplicaciones prácticas de hardware. En la actualidad, IBM Quantum pone a disposición de cientos de miles de desarrolladores hardware cuántico real, una herramienta que los científicos solo empezaron a imaginar hace tres décadas.  

Cuando físicos e ingenieros se enfrentan a problemas difíciles, recurren a los superordenadores. Sin embargo, incluso los superordenadores son máquinas basadas en códigos binarios y dependientes de la tecnología de transistores del siglo XX, y tienen dificultades para resolver problemas de gran complejidad. Estos ordenadores clásicos también están sujetos a restricciones materiales, como el sobrecalentamiento, que ponen serios límites a su capacidad para procesar información. Hay algunos problemas complejos, como el modelado de átomos individuales en una molécula, que no sabemos resolver con ordenadores clásicos a ninguna escala.

Las leyes de la mecánica cuántica dictan el orden del mundo natural. Los ordenadores que realizan cálculos utilizando los estados cuánticos de los bits cuánticos deberían ser, en muchas situaciones, nuestras mejores herramientas para comprenderlo y resolver nuestros problemas más complejos. 

Al estudiar los ordenadores cuánticos, es importante comprender que la mecánica cuántica no es como la física tradicional. Describir los comportamientos de las partículas cuánticas presenta un desafío único, ya que la mayoría de los paradigmas de sentido común para el mundo natural simplemente carecen de un vocabulario para comprender los comportamientos aparentemente contraintuitivos de las partículas cuánticas. 

Qubits vs. bits

Hay muchos tipos diferentes de bits y qubits, pero todos los qubits deben adherirse a las leyes de la física cuántica y ser capaces de existir en una superposición cuántica.

Un bit clásico solo puede existir en posición 0 o en posición 1. Sin embargo, los qubits también pueden ocupar un tercer estado conocido como superposición. Una superposición representa 0, 1 y todas las posiciones intermedias tomadas a la vez, para un total de tres posiciones distintas.

Aunque los qubits pueden codificar tres posiciones distintas, siguen utilizándose para transmitir información a través de un sistema binario. En estos sistemas, el término bit puede referirse tanto al material o al proceso utilizado para representar un 0 o un 1, como a la medida de ese bit (es decir, un 0 o un 1). 

Comprender los bits

En la computación tradicional o clásica, un solo bit puede considerarse como un fragmento de información binaria, representado como un 0 o un 1. Los ordenadores modernos suelen representar los bits como una tensión eléctrica o un impulso de corriente (o por el estado eléctrico de un circuito biestable).

En estos sistemas, cuando no hay corriente, se puede considerar que el circuito está apagado, y este estado se representa como un 0. Cuando hay corriente, se considera que el circuito está encendido, y este estado se representa como un 1.

El término "bit" es en sí mismo un acrónimo de "binary digit" (dígito binario), y los bits binarios son la base fundamental de toda la computación. Ya se trate de grabar un vídeo digital, animar un modelo en 3D o utilizar una aplicación de calculadora, todos los datos, desde los sistemas operativos hasta los programas informáticos, se construyen a partir de un código binario, que es una colección de bits. Un byte informático consta de ocho bits, que es el número mínimo de bits necesario para expresar un único carácter textual en binario. 

Los bits pueden representarse eléctricamente, haciendo pasar (o no) corriente por un chip de silicio, por ejemplo. Los bits también pueden representarse físicamente, como un agujero o la ausencia de un agujero en un trozo de papel, como se utilizaba en la anticuada computación de tarjetas perforadas. Cualquier sistema de dos niveles en el que el estado del sistema pueda describirse solo en una de dos posiciones potenciales (por ejemplo, arriba o abajo, izquierda o derecha, encendido o apagado) puede utilizarse para representar un bit. 

Comprender los qubits

Aunque las tecnologías cuánticas utilizan el código binario, los datos cuánticos derivados de un sistema cuántico, como un qubit, codifican los datos de forma diferente a los bits tradicionales, con algunas ventajas notables. Los investigadores han establecido diversas formas de crear qubits o de utilizar sistemas cuánticos naturales como qubits. Sin embargo, en casi todos los casos, los ordenadores cuánticos requieren una refrigeración extrema para aislar los qubits y evitar interferencias. 

Teóricamente, cualquier sistema cuántico de dos niveles puede utilizarse para fabricar un qubit. Se dice que un sistema cuántico es de dos niveles cuando ciertas propiedades del sistema pueden medirse en posiciones binarias, como arriba o abajo. Los sistemas cuánticos multinivel también pueden utilizarse para crear qubits, siempre que dos aspectos de ese sistema puedan aislarse de forma eficaz para producir una medición binaria. Al igual que los ordenadores tradicionales pueden utilizar múltiples tipos de bits (como la corriente eléctrica, la carga eléctrica o los agujeros perforados (o no) en un trozo de papel para la computación de tarjetas perforadas), los ordenadores cuánticos pueden utilizar múltiples tipos de bits. Ciertos bits son más adecuados para ciertas funciones, y un ordenador cuántico avanzado probablemente utilizará una combinación de tipos de bits para realizar diferentes operaciones.

Dado que cada bit puede representar un 0 o un 1, al emparejar dos bits de información, podemos crear hasta cuatro combinaciones binarias únicas:

  1. 00
  2. 01
  3. 10
  4. 11

Mientras que un bit puede ser un 0 o un 1, un único qubit puede ser un 0, un 1 o una superposición. Una superposición cuántica puede describirse tanto como 0 y 1, o como todos los estados posibles entre 0 y 1, porque en realidad representa la probabilidad del estado del qubit. 

En el plano cuántico, la probabilidad de los qubits se mide como una función de onda. La amplitud de probabilidad de un qubit puede utilizarse para codificar más de un bit de datos y realizar cálculos extremadamente complejos cuando se combina con otros qubits.

Al procesar un problema complejo, como la factorización de un número primo grande, los bits tradicionales se atascan al contener grandes cantidades de información. Los bits cuánticos se comportan de manera diferente. Como los qubits pueden mantener una superposición, un ordenador cuántico que utilice qubits puede calcular un volumen de datos mucho mayor. 

Como analogía útil para comprender los bits frente a los qubits, imagina que estás de pie en el centro de un complicado laberinto. Para escapar del laberinto, un ordenador tradicional tendría que "aplicar la fuerza bruta" sobre el problema, probando todas las combinaciones posibles de caminos para encontrar la salida. Este tipo de ordenador utilizaría bits para explorar nuevos caminos y recordar cuáles son callejones sin salida.

En cambio, un ordenador cuántico podría, en sentido figurado, obtener de golpe una vista de pájaro del laberinto, probando múltiples caminos a la vez y descubriendo la solución correcta. Sin embargo, los qubits no "prueban varios caminos" a la vez. En lugar de eso, los ordenadores cuánticos miden las amplitudes de probabilidad de los qubits para determinar un resultado. Como estas amplitudes funcionan como ondas, también se solapan e interfieren entre sí. Cuando las ondas asíncronas se solapan, se eliminan efectivamente las posibles soluciones a problemas complejos y la onda u ondas coherentes realizadas presentan la solución. 

¿Qué es el entrelazamiento cuántico?

Descrito por primera vez por Einstein como "espeluznante acción a distancia", el entrelazamiento cuántico es un fenómeno en el que dos qubits (o dos o más partículas cuánticas cualesquiera) se entrelazan de tal forma que el estado de una partícula no puede describirse independientemente del estado de la otra, sin importar la distancia que las separe. 

Cuando dos qubits están entrelazados, ambos existen en una superposición hasta que se mide uno de ellos. Una vez observados, la superposición cuántica de ambos se colapsa y el qubit no observado asume la posición opuesta al observado.

Por ejemplo, si una mitad de un par de qubits entrelazados se mide en posición 1, el otro qubit puede medirse al instante como 0. Las implicaciones del entrelazamiento cuántico son tan extensas como limitada es nuestra comprensión de este fenómeno. Huelga decir que los bits tradicionales no se entrelazan. De este modo, los qubits entrelazados aparentemente pueden transferir información incluso a través de años luz de forma instantánea, más rápido que la velocidad de la luz. Aunque en realidad los qubits no transfieren datos más rápido que la luz, el entrelazamiento cuántico puede aumentar drásticamente la potencia de los circuitos cuánticos. 

Los diferentes tipos de qubits y sus ventajas

Como cualquier sistema cuántico de dos niveles puede utilizarse para crear un qubit, los investigadores están desarrollando actualmente muchos tipos de qubits, y algunos son más apropiados para determinadas aplicaciones.

Superconductores

Fabricados a partir de materiales superconductores que funcionan a temperaturas extremadamente bajas, los qubits superconductores se manipulan mediante impulsos de microondas y son los favoritos de los informáticos cuánticos por su coherencia relativamente sólida. 

Iones atrapados

Utilizando una sofisticada tecnología láser, las partículas de iones atrapados también pueden utilizarse como qubits. Los qubits de iones atrapados destacan por sus largos tiempos de coherencia, así como por sus mediciones de alta fiabilidad. 

Puntos cuánticos

Un punto cuántico es un pequeño semiconductor capaz de capturar un solo electrón y utilizarlo como qubit. Los qubits de puntos cuánticos pueden manipularse mediante campos magnéticos y resultan especialmente interesantes para los investigadores por su potencial escalabilidad y compatibilidad con la tecnología de semiconductores existente. 

Fotones

Al establecer y medir los estados de espín direccional de las partículas de luz individuales, los qubits de fotones pueden utilizarse para enviar información cuántica a través de largas distancias mediante cables de fibra óptica y actualmente se utilizan en la comunicación cuántica y la criptografía cuántica

Átomos neutros

Los átomos neutros más comunes se definen por una carga iónica equilibrada de carga positiva y negativa. Utilizando láseres, estos átomos pueden cargarse de energía hasta alcanzar una serie de estados de excitación, dos de los cuales pueden utilizarse para crear un qubit idóneo para escalar y realizar operaciones.

Retos del qubit

Aunque potentes, los qubits también son muy temperamentales. Para que funcionen, los qubits deben enfriarse a una temperatura solo una fracción de grado superior al cero absoluto, que es más frío que el espacio exterior. 

Se dice que las partículas cuánticas tienen coherencia cuando están suficientemente controladas para funcionar como qubits. Cuando un qubit pierde esta capacidad, se describe como decoherente. La refrigeración de alta potencia necesaria para crear un estado de coherencia para los qubits funcionales es un reto importante para la computación cuántica. 

Incluso en las condiciones más frías, los sistemas de qubits también suelen ser susceptibles a fallos causados por la decoherencia. Afortunadamente, los avances en el campo emergente de la corrección algorítmica de errores cuánticos tienen el potencial de estabilizar sistemas cuánticos anteriormente débiles. 

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