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Ordenadores cuánticos: cómo funcionan y cuáles son sus ventajas

La explosión del Big Data y el Internet de las Cosas (Internet of Things o IoT en inglés ) están revolucionando cómo entendemos las comunicaciones, así como los propios sistemas con las que las gestionamos.

En un contexto en el que se deben administrar e interpretar grandes volúmenes de datos generados a una velocidad cada vez más rápida, la capacidad computacional de los ordenadores que existen en la actualidad quedará obsoleta a medio plazo. De hecho, se calcula que para el año 2040 la ingeniería informática ya habrá alcanzado el límite físico en la construcción de procesadores más pequeños y con mayores capacidades.

Estas fronteras materiales generarán grandes “problemas intratables” en un futuro repleto de datos, donde habrá que lidiar con cuestiones que requieran tal nivel de potencia para su resolución que los ordenadores clásicos no serán capaces de dar respuesta.

Llegados a este escenario, la computación cuántica puede resultar decisiva para el desarrollo de ciertas áreas. Expertos digitales auguran que este tipo de computación revolucionará el sector industrial gracias a su considerable potencial en ámbitos como la medicina, la investigación académica y empresarial, los transportes y las comunicaciones y el marketing.

Así, empresas como IBM y Google ya han comenzado a invertir en esta tecnología cuántica, lo que puede darnos una pista sobre las posibilidades que las grandes empresas ven en esta disciplina.

A continuación, os explicamos cuáles son los principios de la computación cuántica, qué podemos esperar de ella y cuáles son sus potenciales implicaciones en el sector digital.

¿Cómo funcionan los ordenadores cuánticos?

Un ordenador cuántico, como su nombre indica, utiliza las leyes de la física cuántica para ejecutar una serie de tareas de manera más eficiente que un ordenador convencional. Para lograrlo, la computación cuántica pretende explotar la capacidad de las partículas subatómicas en más de un estado de manera simultánea. Este principio se encuentra también en el célebre experimento teórico del gato de Schrödinger.

Para poder entender cómo funciona, es necesario conocer primero cómo actúa un ordenador clásico o convencional (es decir, no cuántico).

Los ordenadores convencionales se rigen por las leyes de la física clásica. En este tipo de computación, el bit es la pieza de información más pequeña que se puede trasmitir. Esto se hace mediante impulsos eléctricos cuyos estados solo puede ser positivo o negativo.

Estos impulsos se traducen entonces a código binario, dando lugar únicamente a dos posibles valores por cada bit: el 0 (estado negativo) y el 1 (estado positivo).

Sin embargo, los ordenadores cuánticos no siguen este binarismo. La computación cuántica puede manipular el estado de un qubit (un bit cuántico, o quantum bit) gracias a dos propiedades mecánicas: la superposición y el entrelazamiento.

Un qubit puede tener carga positiva y negativa simultáneamente porque las leyes de la física cuántica permiten que los electrones se encuentren en varios sitios en un mismo momento y existan en estados aparentemente opuestos, un fenómeno que recibe el nombre de “superposición”.  De este modo, el estado de un qubit se da en la superposición coherente de los valores 1 y 0, aunque el resultado final a la hora de medir el qubit resulte en 1 o 0.

Para explicar este concepto, es frecuente recurrir a la metáfora de la esfera: los bits de los ordenadores clásicos únicamente se pueden situar en los polos opuestos de la esfera (bien sea 0 o 1); mientras que los qubits pueden estar en cualquier punto del cuerpo geométrico.

También se pueden crear pares de qubits entrelazados, es decir, que sus estados cuánticos sean iguales y cambien de manera análoga, aunque se encuentren a gran distancia. Así, se pueden predecir los cambios en un qubit si se monitoriza al que está entrelazado.

Gracias a estas propiedades, los ordenadores cuánticos pueden calcular grandes volúmenes de datos a la vez. El resultado final surge una vez se han medido los qubits, lo que obliga a que su estado cuántico se concrete en un 1 o un 0.

De este modo, la computación cuántica abre la posibilidad de ejecutar operaciones con muchos factores en una única operación, algo que la computación clásica tendría que realizar de manera secuencial en lugar de simultáneamente. Por tanto, la cuántica permitiría que se manejaran volúmenes de datos exponencialmente más grandes a una velocidad mucho mayor, un escenario que sería de gran utilidad en un futuro cada vez más próximo.

¿Será este el fin de los ordenadores clásicos?

A pesar del potencial que tiene la computación cuántica, es muy poco probable que los ordenadores convencionales desaparezcan, al menos en las próximas décadas. La computación cuántica no pretende reemplazar, ni a corto ni medio plazo, a los ordenadores clásicos a los que estamos acostumbrados.

Los ordenadores convencionales son la manera menos costosa y más sencilla, aparte de la más accesible y portátil, que tiene el usuario para resolver la inmensa mayoría de los problemas que se le presentan. Sin embargo, industrias como la farmacéutica o la automovilística y disciplinas basadas en el Big Data pueden verse muy beneficiadas por el desarrollo de la computación cuántica.

Así, los ordenadores cuánticos no se están desarrollando como un remplazo para la computación clásica, sino que se conciben como una nueva herramienta que pueda resolver problemas que sobrepasan las capacidades de los ordenadores de bits tradicionales, los llamados “intratables”.

¿Cuál es el futuro de la computación cuántica?

En noviembre de 2017, IBM anunció que había desarrollado un ordenador con una capacidad computacional de 50 qubits, algo insólito hasta la fecha. Esta noticia, a pesar de plantear un gran avance en esta disciplina, todavía no puede entenderse como una victoria definitiva: los estados cuánticos resultan aún muy inestables, ya que únicamente se mantiene el equilibrio del sistema durante 90 microsegundos, una cifra muy limitada para hacer que la computación cuántica sea viable.

Además, la computación cuántica presenta todavía errores graves de cálculo que vale la pena reseñar, pues los ordenadores que se basan en qubits son mucho más susceptibles de dar como resultado final una respuesta errónea. Esto ocurre por la “decoherencia”(término acuñado por la propia mecánica cuántica), un fenómeno que ocurre cuando el estado cuántico de los qubits decae y estos desaparecen debido a su interacción con el medio.

Los qubits son extremadamente vulnerables a las variaciones en el medio y su estado cuántico es muy frágil. Por ello, los investigadores tienen que proteger los qubits con extremo cuidado de que no haya interacción con el medio y no haya lugar para la decoherencia a través de cámaras de vacío ultrarrefrigerantes. Estas cámaras son extremadamente costosas y ocupan mucho espacio, lo que imposibilita su comercialización a gran escala a corto plazo.

Sin embargo, los ordenadores cuánticos son muy buenas soluciones para resolver problemas de optimización porque son capaces de ejecutar un volumen de operaciones muy elevado y ofrecer muchas soluciones potenciales en cuestión de segundos. De estas soluciones, el usuario deberá interpretar cuál es la más acertada al cotejarlas entre sí. Es, precisamente, este dato por el cual algunos investigadores han planteado la posibilidad de que la computación cuántica pueda impulsar el desarrollo de la inteligencia artificial.

Otra de las ramas que más se pueden beneficiar de la computación cuántica es la seguridad informática.

En la actualidad, la información de carácter sensible (con datos bancarios o la que se introduce en formularios) sufre un proceso de encriptación. Las comunicaciones encriptadas se mandan a través de cables de fibra óptica junto a una serie de claves para descifrar el mensaje. Ambos elementos se envían mediante bits clásicos, es decir, una serie impulsos eléctricos que se traducen a unos y ceros, lo que supone un eslabón vulnerable porque los hackers pueden leer y copiar series de bits que se encuentren en tránsito sin dejar rastro.

Los bits cuánticos mejoran la capacidad de descubrir si alguien ha intervenido en las comunicaciones, lo que cumple una función disuasoria.

Como ya hemos comentado, los qubits se transmiten en un estado de superposición en el que se dan varios estados cuánticos simultáneos que combinan los valores de 1 y 0. Sin embargo, si un hacker accede a estos qubits mientras se encuentran en envío, su equilibrio cuántico es tan frágil que esta interacción hará que el estado de los qubits se determine en un 1 o un 0, sin posibilidad de superposición. Esto hace que la actividad del intruso quede grabada en el estado de los qubits.

Algunas compañías ya han empezado a investigar esta posibilidad para tratar con datos de naturaleza extremadamente sensible a través de un proceso de distribución de clave cuántica (quantum key distribution o QKD), que codifica la clave para desencriptar la información a través de qubits.

Por todo ello y a pesar de que la computación cuántica no se encuentre todavía en un estado avanzado de desarrollo, estos primeros pasos auguran un futuro muy prometedor de la disciplina.

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