Computación cuántica

Existe una aritmética perfectamente consistente en la cual uno más uno no son dos, ¡sino uno! Y si piensa que hay que viajar a otro planeta para conocerla, es momento de los desengaños: ocurre justo en la computadora que posiblemente está descansando a un lado suyo. Se le llama lógica digital. Su función es definir los valores entrando y saliendo de compuertas en circuitos lógicos, la cual está basada en el sistema binario de unos y ceros: es como la novia bipolar que todos tuvimos alguna vez en donde “1” es “estar de genio” y “0” es “estar feliz”. La compuerta AND, en lo particular, acepta dos entradas pero tan sólo una salida. Si entran dos ceros, el resultado será cero. Para cualquier otro valor (1 y 0, 0 y 1, 1 y 1) el resultado de salida siempre dará uno.
Este baile, sin embargo, es bastante rancio; se trata de los mismos viejos electrones creando una corriente a la vieja usanza. ¿Puede culparse a la ingeniería por ello? ¿Por qué cambiar algo que funciona?

La respuesta es que ya no funciona: la imparable necesidad de músculo computacional de nuestra civilización ha obligado a los microprocesadores hacerse más y más pequeños para poder guardar y procesar mayor información en menor espacio. Mientras los transistores, base de la electrónica digital, continúan compactándose y haciéndose microscópicos, la tendencia ha permanecido inalterada desde la primera aparición del circuito integrado, y si bien éstos todavía no han alcanzado aún el límite de lo pequeño que un transistor puede llegar –algo llamado “tubos de carbono”, por ejemplo, pueden emular el comportamiento de los transistores arrastrándolos a dimensiones aún más pequeñas-. No, el problema es otro. El tamaño de canal por el cual circulan los electrones se ha hecho tan pequeño que ya empieza a lidiar con las fascinantes propiedades del mundo de la mecánica cuántica. Es hora de pensar en nuevas ideas, ideas cuánticas.

Anoté en la libreta lo novedoso de estas nociones cuando su primer proponente las expuso en 1959. Se trata del famoso físico Richard Feynman, quien explicaba en una famosa conferencia: “Hay mucho lugar para hacer (a las computadoras) más pequeñas. Nada de lo que veo en las leyes físicas dice que los elementos de las computadoras no pueden ser hechos enormemente más pequeños de lo que son hoy. De hecho, pueden haber algunas ventajas”.
Las partículas subatómicas tienen muchas propiedades. Una de ellas es el spin o giro. La propuesta es usar justamente al spin como un estado lógico similar al uno o al cero digital, teniendo como resultado un nuevo abanico de estados proponiendo nuevas soluciones y retos.
Tales affaires fueron la materia de discusión el pasado martes (13, hay que saberlo) en las charlas organizadas por el Colegio de Físicos de Jalisco, dentro de la librería José Luis Martínez del Fondo de Cultura Económica, impartida por el doctor en física Pedro Basilio Espinoza Padilla.

Superposición

El mundo de la mecánica cuántica –aplicable tan sólo en dimensiones muy, muy pequeñas- permite cosas que desafían el sentido común ordinario. Una de tales características es la superposición, donde un objeto cuántico posee al mismo tiempo dos o más valores. Es esta cualidad de estar en dos sitios al mismo tiempo lo que da a la computación cuántica algunas de sus ventajas sobre la convencional. La unidad lógica mínima, en el sistema binario, es el bit. Un sistema de dos bits posee cuatro posiciones posibles: (1, 0), (0, 1), (1, 1) ó (0, 0). Cuatro en total, pero tan sólo uno por vez. En la computación cuántica la unidad mínima de información es el qBit, y merced de la superposición el qBit podría  asumir todas las posiciones al mismo tiempo.

¿Por qué eres tan decoherente?

Subsisten problemas en el paraíso cuántico, sin embargo, y bastante graves en realidad. El vacío cuántico se ha comparado con la superficie del mar: si se le mira desde la altura suficiente parece tranquilo y apacible; basta acercarse un poco para ver al furioso oleaje golpeando las embarcaciones. Este “hervidero” de partículas virtuales apareciendo y desapareciendo en el vacío cuántico hace de la información algo tan pasajero como escribir sobre el agua. A temperaturas bajas el qBit se ha mantenido estable por algunas milésimas de segundo, para luego desvanecerse como el ADN de un dinosaurio, o las obras de Esquilo que no sobrevivieron la caída de la civilización clásica.
No obstante los obstáculos, la computación cuántica es prometedora, como lo explica en un artículo el autor Luis Gonzáles de Alba: “En menos de un mes se han publicado grandes saltos hacia la próxima revolución informática”.
“Teóricamente vamos bastante bien, pero experimentalmente hacen falta muchos equipos en el país”, observa apuntalado por una jarra de cerveza oscura el también doctor en física, José Luis Romero Ibarra. “Por otro lado, bastantes personas que estaban trabajando en óptica cuántica poco a poco han comenzado a hacer aportaciones  tanto en información como en computación cuántica”.
Habíamos migrado del cobijo de la librería para ahora someterse al ambiente festivo de un pub cercano. “Si se quiere hacer trabajo experimental, tratar de hacer un grupo entorno de una persona con suficiente experiencia en manejar los aparatos, alguien que esté trabajando en uno de los grupos que son importantes mundialmente -continúa Ibarra-. Tanto enviar una persona como a un grupo de estudiantes lo bastante confiables a aprender en los laboratorios extranjeros”.
 
¿Y qué hay de los sostenes para la investigación?

“Existen varias maneras de obtener apoyos, principalmente vía el Conacyt. Sin embargo, los equipos para desarrollar la computación cuántica son bastante caros, entonces en general se apoya mucho más la parte teórica ya que se requiere menos dinero.”
“En Jalisco decíamos que los alrededores de Guadalajara eran nuestro ‘Silicon Valley’ -reflexionaba Luis González de Alba en el artículo mencionado más arriba-. Pues bien: podemos seguir armando computadoras y perdiendo la competencia ante la mano de obra china, abundante, barata y sin problemas laborales porque allá, en la China ‘comunista’, a los sindicalistas los fusilan. O nos ponemos a pensar en desarrollos tecnológicos de punta”.
El doctor Basilio Espinoza Padilla adopta un aire similar:
 “México nunca va a ser una potencia en electrónica de semiconductores; se quedó atrás porque nunca se subió a la nave. Pero existen otras que todavía no despegan, entre ellas la computación cuántica. Es cara, pero deja mucho. Hay horizonte, pero se requiere de alguien que corra para alcanzarlo”.

“Teóricamente vamos bastante bien, pero experimentalmente hacen falta muchos equipos en el país”

Condiciones a cumplir

• El sistema ha de poder inicializarse, esto es, llevarse a un estado de partida conocido y controlado.
• Ha de ser posible hacer manipulaciones a los qBits de forma controlada, con un conjunto de operaciones que forme un conjunto universal de puertas lógicas (para poder reproducir a cualquier otra puerta lógica posible).
• El sistema ha de mantener su coherencia cuántica a lo largo del experimento.
• Ha de poder leerse el estado final del sistema, tras el cálculo.
• El sistema ha de ser escalable: tiene que haber una forma definida de aumentar el número de qubits, para tratar con problemas de mayor coste computacional.