¿Qué es la computación cuántica? 10 términos que todo el mundo debería conocer
Durante mucho tiempo, la computación cuántica ha sonado a promesa eterna: una tecnología sorprendentemente potente que siempre está “a unos 10 años vista”. Si dejaste de prestarle atención, no fuiste el único.
Pero últimamente algo ha cambiado. Ahora los investigadores hablan de años, no de décadas.
Sí, sigue siendo una tecnología incipiente. Los sistemas cuánticos aún son frágiles, complejos y, en su mayoría, siguen restringidos al entorno de los laboratorios, por eso los ordenadores clásicos continúan siendo las herramientas de referencia más fiables. Pero el desarrollo cuántico ya ha cruzado un umbral: el avance se nota, no se queda solo en la teoría.
Este es el punto en el que vas a empezar a oír hablar más de los conceptos —y del vocabulario—, porque empezarán a influir en aspectos como la forma en que los científicos simulan el comportamiento de las moléculas, exploran nuevos materiales que podrían dar lugar a baterías más duraderas o a productos químicos más limpios, y también a cómo se enfrentan a otros problemas complejos que a los ordenadores de hoy les llevaría millones de años resolver. A medida que el impacto de la computación cuántica salga de los entornos de investigación, también lo hará su terminología, famosa por ser difícil de entender. Esta guía te ayudará a familiarizarte con las ideas clave que hay detrás de esta tecnología emergente.
1. Cuántico: más que la suma de sus partes
¿Has visto alguna vez un flash mob, cuando un grupo de personas, de repente, se pone a bailar una coreografía perfectamente sincronizada?
Desde lejos, casi no distingues a los bailarines uno a uno. Lo que ves es a todo el mundo moviéndose a la vez. Girando, agachándose como si fueran uno solo en una ola de movimiento en la que los pasos de cada persona dependen de quienes tiene alrededor y solo cobran sentido como parte de un patrón más grande.
Juntos, crean algo que ningún bailarín podría sacar adelante por su cuenta.
Es una buena forma de imaginar el comportamiento cuántico. La palabra “cuántico” se refiere a la naturaleza en sus escalas más pequeñas, donde átomos y electrones generan efectos comportándose más como un grupo coordinado que como objetos separados e independientes.
El término aparece en muchos ámbitos —física cuántica, mecánica cuántica, computación cuántica, etc.— porque todos se centran en ese nivel, donde el resultado puede depender de cómo se relacionan las piezas entre sí.
La computación cuántica es un enfoque que aprovecha esos comportamientos de grupo para procesar información de formas nuevas.
2. Qubits: los jugadores individuales
Un qubit es la unidad básica de información en un ordenador cuántico, como un bailarín dentro de un flash mob.
En la informática de toda la vida, la información se guarda en bits, que se comportan como interruptores: 1 o 0, encendido o apagado. Es como si a cada bailarín le dijeran: “Tú siempre te quedas quieto” o “Tú siempre das un paso”. Una instrucción clara y una decisión cada vez. Los ordenadores funcionan encadenando cantidades enormes de esos bits en patrones que representan datos e instrucciones.
Un qubit, en cambio, se comporta de otra manera. Es un bailarín entrenado para muchos movimientos: puede quedarse quieto, dar un paso o incluso saltar según las señales del grupo, y cambiar a medida que la coreografía avanza. La potencia de un qubit viene de cómo actúa en conjunto con otros, como parte de un sistema coordinado.
Las empresas construyen qubits de distintas formas, con tecnologías que van desde diminutos circuitos eléctricos hasta átomos individuales o partículas de luz. Algunos miden alrededor de un centímetro; otros son tan pequeños que cabría un millón en un chip más pequeño que la palma de tu mano.
3. Superposición: mantener abiertas las opciones
Una de las razones por las que los ordenadores cuánticos son tan singulares es la forma en que abordan los problemas. En vez de avanzar por un único camino paso a paso, como un ordenador clásico, se mantienen flexibles: pueden explorar muchas posibilidades a la vez antes de llegar a un resultado final.
A eso se le llama “superposición”.
Protegidos del ruido, el calor, las vibraciones y demás factores externos, los qubits pueden mantenerse en ese estado intermedio, en el que aún no se han visto forzados a elegir una dirección y siguen siendo posibles varios resultados hasta que se miden.
Es como una moneda dando vueltas dentro de una caja. Mientras gira, la moneda no es ni cara ni cruz y deja abiertas ambas opciones, pero el simple hecho de abrir la caja para comprobarlo hace que acabe cayendo de un lado u otro, eligiendo una única opción.
La superposición permite a los sistemas cuánticos explorar muchas rutas posibles al mismo tiempo: mantener ese “giro” el tiempo suficiente para que el cálculo se ejecute y vaya tomando forma hacia una respuesta más útil.
4. Interferencia: amplificar lo que importa
En el lenguaje de cada día, “interferencia” suele significar estorbar. En computación cuántica, en cambio, significa algo bastante más útil.
Cuando los qubits están en superposición, un ordenador cuántico va llevando la cuenta de muchas formas posibles en las que podría desarrollarse un cálculo. La interferencia describe cómo se combinan esas posibilidades. Algunas se alinean y se refuerzan entre sí, haciendo más probables ciertos resultados. Otras se cancelan, haciendo menos probables esas alternativas. Es como unos auriculares que suprimen los sonidos que no encajan con el patrón de una voz, y así amplifican los tonos que de verdad quieres escuchar.
Esto es especialmente potente para simular la naturaleza, porque las moléculas y los materiales siguen las mismas reglas: recuerda que “cuántico” describe cómo se comporta la naturaleza en sus escalas más pequeñas, según cómo las partículas se combinan y se cancelan a nivel atómico.
Los ordenadores clásicos tienen que imitar este comportamiento recurriendo a cálculos paso a paso y aproximaciones laboriosas. Por eso la interferencia importa, ya que al usarla para hacer que ciertos patrones destaquen, los ordenadores cuánticos podrán ayudar a los investigadores a predecir cómo se comportará una molécula o a explorar nuevos materiales, orientando decisiones de investigación más inteligentes en el laboratorio.
5. Entrelazamiento: qubits conectados entre sí
En la computación clásica, la información vive en bits individuales. En computación cuántica, el concepto “entrelazamiento” permite que la información viva en las relaciones entre qubits. En vez de trabajar con interruptores aislados de encendido o apagado, un ordenador cuántico trabaja con estados correlacionados o decisiones interdependientes.
Muchos problemas del mundo real van de cómo se relacionan y encajan las cosas. Por ejemplo, encontrar un horario o una ruta en la que muchos factores tengan que cuadrar a la vez. Los ordenadores clásicos prueban posibilidades paso a paso. El entrelazamiento, en cambio, permite a un ordenador cuántico considerar varias opciones conectadas a la vez, haciendo más probables las combinaciones que encajan y dejando que las incompatibles se vayan descartando.
Pero —y aquí entramos en terreno de ciencia ficción— los qubits entrelazados no tienen por qué estar físicamente interconectados. Se configuran mediante una interacción compartida que crea un estado en el que no puedes describir uno sin el otro. Como un par de guantes, donde si sabes que uno es el izquierdo, el otro tiene que ser el derecho. Una vez unidos, esa relación persiste incluso si los qubits están muy separados físicamente.
6. Puertas: las señales que guían a los qubits
Los qubits son, por naturaleza, delicados y cambiantes. No se mantienen de forma estable en estados fijos y ordenados como los bits. Para convertir su comportamiento en un cálculo útil y repetible, un ordenador cuántico necesita una forma precisa de controlar cómo cambian los qubits y cómo interactúan entre sí. Ahí es donde entran las puertas.
Una puerta cuántica —quantum gate— es una operación controlada que cambia el estado de un qubit o coordina a varios qubits. Las puertas son las instrucciones que construyen un programa cuántico. Un desarrollador o investigador define el programa en términos de puertas, y la máquina ejecuta esas acciones mediante pulsos precisos de energía —a menudo, señales electromagnéticas—, que hacen que los qubits se comporten de una manera concreta.
A veces, los desarrolladores escriben esas indicaciones como si fueran una partitura, con líneas horizontales para los qubits y símbolos que marcan cuándo actúan las puertas, más parecido a leer música que a programar con código tradicional. Sin esas señales, no hay interpretación posible: solo una cacofonía.
Las puertas son las que convierten el comportamiento cuántico en computación.
7. Corrección de errores: evitando que todo se descontrole
Los sistemas cuánticos son potentes, pero a la vez son frágiles.
Los qubits son extremadamente sensibles a su entorno, y pequeños cambios. Un poco de calor, una vibración o una señal electromagnética que se cuele pueden desviarlos y alterar los patrones que un ordenador cuántico intenta construir. Los investigadores incluso pueden perder qubits por el camino, cuando las partículas se desplazan o desaparecen.
Por eso se invierte tanto esfuerzo en blindar y refrigerar los sistemas cuánticos —y por eso también hace falta la corrección de errores—, donde la información se reparte entre un grupo de qubits para que un fallo en uno no descarrile todo el cálculo.
Volviendo al baile: es como montar una coreografía de grupo con el suficiente margen para que el tropiezo de un bailarín no se contagie y arruine la actuación. La formación absorbe el tambaleo sin que toda la secuencia se venga abajo.
Esto importa porque no puedes corregir qubits igual que un ordenador detecta un archivo corrupto, dado que cualquier intento de leer un qubit lo perturba. Un sistema de corrección de errores ofrece una forma de que los ordenadores cuánticos aguanten lo suficiente como para concluir el cálculo.
8. Tolerancia a fallos: mantenerse en el buen camino
La corrección de errores cuántica es un conjunto de técnicas. La computación cuántica tolerante a fallos es el punto al que llegas cuando esas técnicas funcionan lo bastante bien como para que el ordenador ejecute cálculos largos de forma fiable, incluso si por el camino se van produciendo pequeños errores.
Dicho de otra forma, la tolerancia a fallos no significa “cero errores”. Significa que el sistema está construido para que esos fallos no se vayan acumulando. Los errores se detectan y se corrigen con la rapidez suficiente como para que el cálculo, en conjunto, no se desvíe.
Muchos de los problemas complejos que se espera que los ordenadores cuánticos puedan abordar algún día requieren ejecutar muchísimas operaciones en cadena, como simular reacciones químicas o cómo se comportaría un nuevo material en distintas condiciones. Cada operación es una oportunidad más para que se cuele un error pequeño, lo que hace que los cálculos largos sean especialmente exigentes.
Sin tolerancia a fallos, el frágil estado cuántico tiende a derivar o a colapsar antes de que termine el cálculo. Con tolerancia a fallos, el sistema absorbe los errores y sigue avanzando, abriendo el camino a algoritmos más profundos y útiles.
9. Qubits lógicos: llegar hasta el final
Lo difícil no es mantener estables los qubits durante un instante; lo difícil es demostrar que pueden ejecutar un cálculo real mientras, por el camino, se detectan y corrigen errores. Cuando eso ocurre —cuando un grupo de qubits puede sacar adelante un cálculo en conjunto—, el sistema entra en el terreno de los qubits lógicos. La diferencia clave es que un qubit lógico no solo permanece intacto, sino que puede mantenerse estable durante toda la ejecución.
Piénsalo como una actuación coordinada. Los fallos se gestionan sin parar el espectáculo. Desde el otro lado de la pista, puedes ver si los bailarines, en general, se mantienen sincronizados hasta el final, aunque alguien se descoloque un poco en algún momento. El grupo ejecuta la coreografía mejor de lo que podría hacerlo un bailarín en solitario.
Cuando los investigadores hablan de qubits lógicos, hablan de un hito de verdad: demostrar que la corrección de errores cuántica y la tolerancia a fallos funcionan lo bastante bien como para sostener cálculos útiles. Es el punto en el que el hardware cuántico deja de venirse abajo a mitad de cálculo y empieza a comportarse como una máquina sobre la que se puede construir.
10. Qubits topológicos: estabilidad desde el diseño
Gran parte del trabajo cuántico de hoy se centra en corregir errores después de que ocurran. Pero también hay un enfoque desde el hardware: los qubits topológicos, diseñados para ser menos sensibles desde el principio.
La topología es la rama de las matemáticas que estudia formas y conexiones. En un qubit topológico, la información se reparte por todo un sistema, en lugar de guardarse en una única partícula fácil de perturbar. Eso hace que, de forma natural, el qubit sea más estable y difícil de alterar.
Aquí entra en juego Majorana 1. Bautizado en honor al físico italiano Ettore Majorana, es el chip cuántico experimental de Microsoft, creado para explorar esta idea: apostar por que la estabilidad se pueda “construir” en el propio hardware, en lugar de depender solo del software de corrección de errores. Se trata menos de arreglar tropiezos y más de diseñar el escenario para que, desde el principio, un traspiés no fastidie la actuación.
Queda trabajo por delante, pero el objetivo es que los grandes sistemas cuánticos sean más fáciles de controlar, usando una protección incorporada que permita construir máquinas lo bastante robustas como para abordar los problemas más complejos del universo.