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Durante la mayor parte de nuestra historia la tecnología humana consistió en nuestros cerebros, fuego y palos afilados. Mientras que el fuego y los palos afilados se convirtieron en plantas de energía y armas nucleares, la más grande mejora le ha ocurrido a nuestros cerebros.
Desde los años 60, el poder de nuestros cerebros artificiales ha mantenido un crecimiento exponencial. Permitiendo a las computadoras volverse más pequeñas y poderosas al mismo tiempo. Pero este proceso está a punto de alcanzar sus límites físicos. Las partes de las computadoras se aproximan al tamaño de un átomo.
Una computadora está hecha de componentes muy simples, los cuáles hacen cosas muy sencillas representando datos, los medios para procesarla y mecanismos de control.
Los chips de una computadora contienen módulos, los cuáles contienen puertas lógicas, las que contienen transistores.
Los chips de una computadora contienen módulos, los cuáles contienen puertas lógicas, las que contienen transistores.
El transistor es la forma más simple de procesamiento de datos en las computadoras y son básicamente interruptores que bloquean o permiten el paso de información entrante. Esta información está compuesta por "bits" a los cuáles se les es asignado un "0" o un "1".
Las combinaciones de muchos bits son usadas para representar información más compleja. Los transistores son combinados para crear puertas lógicas, las cuáles aún realizan cosas muy sencillas. Por ejemplo: Una compuerta "AND" manda una salida de 1 sólo si sus 2 entradas son 1 y una salida de 0 en caso contrario.
Las combinaciones de compuertas lógicas finalmente forman módulos significativos, por ejemplo, para sumar 2 números. Una vez que se logra sumar, se logra multiplicar y una vez que puedes multiplicar, básicamente puedes hacer lo que sea. Como todas las operaciones básicas son literalmente más simples que las matemáticas de primer grado, es posible imaginar a una computadora como un grupo de niños de 7 años, respondiendo preguntas matemáticas realmente básicas.
Otro montón de ellos, suficientemente grande, podría calcular lo que sea como astrofísica. Sin embargo, con estas partes volviéndose cada vez más pequeñas, la física cuántica está volviendo las cosas un poco problemáticas.
En resumen: Un transistor es sólo un interruptor eléctrico. La electricidad, son electrones moviéndose de un lugar a otro. Así que un interruptor, es un pasaje que puede bloquear el movimiento de electrones en una dirección.
La escala típica para los transistores es de 14 nanómetros lo que representa 8 veces menos que el diámetro del virus del VIH y 500 veces más pequeño que los glóbulos rojos, conforme los transistores se encogen al tamaño de sólo algunos átomos. Los electrones simplemente se transfieren a sí mismos al otro lado del camino bloqueado por medio de un proceso llamado "el efecto túnel".
En el reino de la cuántica, la física funciona muy diferente a la forma predecible a la que estamos acostumbrados. Nos estamos acercando a una barrera física real para nuestro progreso tecnológico. Para resolver este problema, los científicos están tratando de usar propiedades cuánticas inusuales en su propio beneficio, al construir computadoras cuánticas. En las computadoras normales, los bits son las unidades más pequeñas de información.
Las computadoras cuánticas usan "qubits".
Las computadoras cuánticas usan "qubits".
Los cuales también pueden tener uno de esos 2 valores. Un qubit puede ser cualquier sistema cuántico de 2 niveles tal como un "spin" en un campo electromagnético o un único fotón. "0" y "1" son los posibles estados del sistema tal como la polarización horizontal o vertical de un fotón.
En el mundo cuántico, el qubit no tiene que estar sólo en uno de esos valores sino que puede estar en cualquier proporción de ambos estados al mismo tiempo. Esto es llamado "superposición". Pero tan pronto como se prueba su valor, supongamos, al mandar al fotón a través de un filtro tendrá que decidir estar vertical u horizontalmente polarizado.
Así que, mientras no sea observado, el qubit es una superposición de probabilidades para "0" ó "1", y se puede predecir cuál es el que podría ser... Pero en el instante en el que se mide, colapsa en uno de los estados definitivos. Para los bits clásicos se puede estar en una de 2, para un par en 4 configuraciones diferentes al mismo tiempo.
Eso son 16 posibles combinaciones de las cuáles podemos ocupar sólo una. Para los qubits en superposición, sin embargo, se es posible estar en todas esas 16 combinaciones al mismo tiempo. Este número crece exponencialmente con cada qubit extra. 20 de ellos pueden almacenar 1 millón de valores en paralelo.
Una propiedad realmente extraña y nada intuitiva que los qubits pueden tener es el "entrelazamiento", una estrecha conexión que hace a los qubits reaccionar al cambio de otros instantáneamente, no importando qué tan lejos estén separados. Esto significa que cuando se mide sólo un qubit entrelazado, se pueden deducir directamente las propiedades de sus compañeros, sin siquiera tener que mirar.
La manipulación de qubits es complicado.
La manipulación de qubits es complicado.
Una compuerta lógica normal, obtiene un conjunto simple de entradas y produce una salida definitiva. Una compuerta cuántica, manipula una entrada de superposiciones, rota probabilidades y produce otra superposición como salida.
Así que en las computadoras cuánticas tienen a unos cuantos grupos de qubits, a los que les aplica compuertas cuánticas para entrelazarlos y manipular probabilidades y finalmente miden su resultado, colapsando superposiciones a una secuencia de ceros y unos... Lo que esto significa es que obtienes el montón completo de cálculos que son posibles con tu configuración y todo hecho al mismo tiempo.
En última instancia, se puede medir sólo uno de los resultados y podría ser únicamente el que se quiere, así que se podría revisar nuevamente e intentar de nuevo. Pero, explotar inteligentemente la superposición y el entrelazamiento, puede ser exponencialmente más eficiente de lo que jamás sería en una computadora normal.
Así que bien, aunque probablemente las computadoras cuánticas no remplazarían a nuestras computadoras domésticas, en algunas áreas son vastamente superiores. Una de ellas, es la búsqueda en bases de datos. Para encontrar algo en una base de datos, una computadora normal podría tener que comprobar cada uno de sus registros. Los algoritmos cuánticos necesitan sólo la raíz cuadrada de ese tiempo, lo que para bases de datos grandes, es una enorme diferencia.
El uso más famoso de computadoras cuánticas es la aplicación de seguridad informática. Justo ahora, tu navegación, envío de correo electrónico y datos bancarios, son mantenidos a salvo por un sistema de encriptación. El cuál le das a todos una clave pública para codificar los mensajes que sólo tú puedes decodificar.
El problema es que esta clave pública puede ser de hecho usada para calcular tu clave secreta privada. Afortunadamente, realizar las matemáticas necesarias en cualquier computadora normal podría tomar años de prueba y error. Pero una computadora cuántica con aceleración exponencial, podría realizarlo en un instante.
Otro uso realmente excitante son las simulaciones. Las simulaciones del mundo cuántico requieren el uso de muchos recursos e incluso para estructuras más grandes, como las moléculas, presentan fallas de precisión. Así que, las simulaciones cuánticas pueden proveer nuevos conocimientos para las proteínas que podrían revolucionar la medicina.
En resumen...
En resumen...
De momento no sabemos si las computadoras cuánticas serían sólo una herramienta especializada o una gran revolución para la humanidad. No tenemos ni idea de dónde residen los límites de la tecnología y sólo existe una manera de averiguarlo. ¡Nunca parar de aprender!
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