El primer procesador cuántico programable

Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de los EE.UU. presentaron lo que se considera es el primer procesador cuántico programable universal. Detrás de semejante definición se esconde un cacharro capaz de ejecutar cualquier programa que no viole las leyes de la mecánica cuántica que gobiernan el mundo subatómico utilizando qbits en lugar de bits. Este procesador, que podría reemplazar a los microprocesadores actuales en el futuro, es capaz de resolver problemas que son muy difíciles de abordar con la tecnología tradicional.

La computación cuántica es una nueva clase de informática que difiere completamente de la que estamos acostumbrados. Basa su funcionamiento en los qubits (del inglés qubit, de quantum bit, o bit cuántico) en lugar de bits, que permiten utilizar una lógica diferente. Esto hace posible crear algoritmos completamente nuevos y encarar problemas que para la informática actual resultan muy complejos desde una perspectiva diferente. De hecho, la mayoría de las veces, una misma tarea tiene una complejidad diferente según se la trata mediante los métodos de la computación clásica o los de la computación cuántica, lo que ha dado lugar a una gran expectación, ya que algunos problemas intratables pasan a ser tratables. Mientras un computador clásico equivale a una máquina de Turing, un computador cuántico equivale a una máquina de Turing indeterminista.

En los últimos años se han presentado al público prototipos de procesadores u ordenadores cuánticos. La empresa canadiense D-Wave Systems, por ejemplo, mostró su prototipo Orión el 13 de febrero de 2007 en medio de una gran fiesta en Silicon Valley. Pero lo que se quiso hacer pasar por el primer ordenador cuántico comercial de 16-qubits de propósito general resultó ser -como la misma compañía admitió-  una especie de “híbrido”, un ordenador convencional que utiliza algo de mecánica cuántica para resolver problemas. Por supuesto, otros equipos de científicos han seguido trabajando con el propósito de crear un microprocesador que realmente sea “100% cuántico”, y parece que han sido los de  físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de los EE.UU quienes serán recordados como los primeros en lograrlo.

El dispositivo del NIST es realmente un procesador cuántico programable, capaz de operar con qubits. Dentro de este procesador no existen “bits tradicionales”. Toda la información se almacena en qubits y su potencia crece en forma exponencial a medida que el número de quits aumenta. Solo se trata de un prototipo, pero demuestra que es posible construir ordenadores funcionales basados en esta tecnología. Sin dudas, serán una verdadera revolución en el mundo de la informática cuando puedan construirse de forma comercial. Sin embargo, falta bastante tiempo para eso. Es que a medida que se intenta dotar a estos procesadores con más capacidad, aparecen entre sus elementos problemas de interferencia propios de las leyes de la mecánica cuántica que entorpecen su funcionamiento, y esto no parece que pueda resolverse en el futuro inmediato.

Los físicos a cargo de los experimentos del NIST emplearon como medio de almacenamiento iones de berilio y una serie de láser, y es para realizar las operaciones lógicas con ellos. Las puertas lógicas, elementos indispensables que permiten a un microprocesador realizar su magia, también están formadas por láseres que manipulan átomos mientras otro láser lee los resultados. La potencia de cálculo de este prototipo es muy pequeña, aun si lo comparamos con el más modesto ordenador convencional. Pero sirve para demostrar que se puede realizar una operación cuántica de cualquier número de qubits utilizando únicamente dos qubits y el número necesario de puertas lógicas. Esto significa que es teóricamente posible construir un verdadero ordenador cuántico genérico y “programable”, equivalente funcional de los ordenadores que utilizamos todos los días.

En uno de los experimentos que se llevaron a cabo, se codificó información en dos qubits y se la procesó mediante un grupo de 31 puertas lógicas cuánticas. Se escribieron 160 programas diferentes que se corrieron 900 veces. Una de las características de este tipo de ordenadores es que sus resultados no son del tipo “blanco o negro” como los de un ordenador binario, sino que responden a los dictados de la estadística. El experimento arrojó el resultado correcto el 79% de las veces, y se determinó que las puertas lógicas cuánticas solo hacen bien su trabajo el 90% del tiempo. A medida que se añaden más puertas, el fenómeno de interferencia que mencionamos antes hace que la fiabilidad del sistema completo se reduzca. Para que el ordenador fuera realmente útil en la práctica se necesitaría que fueran precisas al menos el 99,99 por ciento del tiempo. A pesar de todo esto, se trata de un logro impresionante.

Es indudable que queda mucho camino por recorrer. Pasarán años, quizás décadas, antes que podamos reemplazar los superordenadores actuales por sus equivalentes basados en procesadores cuánticos. Pero el logro del NIST demuestra que estamos bien encaminados, y que hemos dado el primer paso en la dirección correcta. Cuando lleguemos a destino, muchos problemas que hoy resultan inabordables serán resueltos en segundos. Y todos nuestros sistemas de protección de datos basados en contraseñas o algoritmos como RSA deberán ser reemplazados: se ha demostrado que un ordenador cuántico es especialmente eficiente quebrando claves, ya se basa en estados entrelazados que se pueden computar simultáneamente, realizando la tarea mucho más rápidamente.