Los qubits, la ventana a múltiples universos paralelos de la computación cuántica

No es una secuela perdida de El Señor de los Anillos. Sin embargo, en verdad el qbit, este pariente mágico del bit, es un portal al extraño mundo de la física cuántica y sobre el cual se espera construir una revolución en la computación.

Bits, megas y gigas son términos recurrentes en el lenguaje de la tecnología de la información, ubicuos tanto en el trabajo como el entretenimiento. Cuando miramos una película en streaming –y llevando las cosas a un reduccionismo extremo– lo que está pasando es que una larga secuencia de cientos de millones de ceros y unos, convenientemente organizados, circula por cables, chips, fibra óptica, ondas de radio, hasta que finalmente se transduce en luz y sonido. Para que esto funcione se necesitan elementos físicos en los que sean representados esos unos y ceros, por ejemplo, en forma de corriente eléctrica, que es como se maneja mayormente la información digital. En otras palabras, necesitamos construir bits, y la forma de fabricar bits para corriente eléctrica en forma práctica, hoy por hoy, se ha decantado por microestructuras de silicio que contienen de miles a millones en un chip.

Más que un bit

El qubit –o castellanizado, cúbit– también es una representación de información sobre dispositivos que pueden estar en estado cero o uno igual que el bit. Pero lo que distingue al qubit es que además de ponerse en un estado binario, puede (al menos por un período de tiempo) inducirse a lo que se conoce en términos de mecánica cuántica como superposición. Por un lapso de tiempo puede representar simultáneamente cero y uno, aunque con una condición: que nadie lo esté mirando, porque apenas se lo mire colapsará aleatoriamente en cero o uno. Esta situación sorprendente y un poco desconcertante es central en la magia cuántica.

Conceptualmente, la idea de superposición de estados, de que algo es y no es al mismo tiempo, no tiene lógica ni mucho menos correlato con la experiencia cotidiana. En 1927 los físicos Niels Bohr, Werner Heinsemberg y Max Born enunciaron esta interpretación fundacional de la mecánica cuántica que fue combatida entre otros por Albert Einstein, quien luchó sin éxito en busca de una alternativa más “normal”. Pero la mecánica cuántica y sus incongruencias no son una proposición arbitraria, son consecuencia de una cadena de razonamiento que logra describir en forma exitosa ciertos fenómenos en óptica y termodinámica para los cuales la física clásica terminaba en callejones sin salida. Y lejos de sustituirse, en realidad a lo largo de 100 años la física cuántica ha crecido y se ha consolidado, en algunos contextos, como la mejor descripción que conocemos del universo en el que vivimos.

En un momento vamos a ver por qué esta característica misteriosa y frágil eventualmente podría conducir a una revolución en la computación, pero antes vamos a explorar un poco qué es y qué hace un qubit.

¿Es un qubit lo que tengo en el ojo?

Curiosamente, en la vida cotidiana hay fenómenos que al hilar más fino revelan aspectos de este desconcertante mundo cuántico. Todos nos hemos parado frente a una vidriera en la calle y observado, muchas veces con molestia, que no sólo se ve lo exhibido sino también nuestra propia imagen reflejada. Cuando vemos nuestra imagen, lo que experimentamos es la consecuencia de una cadena de hechos que arranca cuando fotones emitidos por el sol –o por la iluminación pública– rebotan en nosotros hacia la vidriera, se reflejan en el cristal y terminan en nuestra retina formando una imagen. Pero otra persona dentro del local también nos verá a través de esa misma vidriera, y esto es así porque, del conjunto de fotones que rebotó en nosotros y llegó al cristal, una parte se reflejó y fue a nuestros ojos, pero otra parte lo atravesó y fue a parar a los ojos de este otro observador.

Vamos a imaginar por un momento que nos pudiéramos parar sobre un fotón individual y lo acompañáramos en el recorrido. Cuando llega a la superficie de la vidriera pueden pasar dos cosas: que la atraviese o que se refleje. En términos de física clásica, una cierta proporción de fotones pasa y otra parte se refleja, y esa proporción queda determinada por ciertas propiedades del aire y del cristal relacionadas con la velocidad con la que viaja la luz en uno y otro. Para la física clásica, nuestro fotón individual o bien rebota o bien penetra, lo que parece perfectamente natural y obvio.

Pero en términos de física cuántica, la descripción de lo que ocurre es que desde el momento en que el fotón llega a la superficie del vidrio se desdobla en dos personalidades, una que pasa y otra que se refleja. Es importante entender que no es que el fotón se divida y cada mitad recorra uno u otro camino. Es el mismo fotón el que existe al mismo tiempo en dos realidades paralelas, como si el tiempo se hubiera bifurcado. El fotón puede ser detectado en mi retina o en la retina del otro observador. Quién lo vea es aleatorio y tiene una probabilidad que está dada por las características anotadas antes del aire y del cristal. Tan pronto como el fotón aparece en mi retina o la del vendedor, el estado de ambigüedad cuántica –que se llama técnicamente superposición– colapsa y se vuelve a la normalidad. Esa aleatoriedad esencial sobre dónde va a aparecer el fotón desdoblado en dos personalidades está en el corazón mismo de la mecánica cuántica.

En el acumulado de casos sobre muchos fotones –que es lo que pasa en la realidad– se forman simultáneamente imágenes con mayor o menor intensidad en mi retina y la del observador de acuerdo a esa proporción de probabilidades dada por las características del aire y del cristal en cuanto a la propagación de la luz.

Lo conceptualmente central es que, de acuerdo a la física cuántica, por un momento un fotón individual está simultáneamente en dos estados, reflejándose en el vidrio pero también atravesándolo, y durante todo ese tiempo podría ser un qubit, porque representa dos estados diferentes superpuestos. No hay forma de saber si atravesó la vidriera o se reflejó hasta que sea observado, momento en el cual la superposición colapsa a un estado definido.

La superposición de estados de un fotón es una de las tecnologías en desarrollo para fabricar qubits, pero las dificultades de utilización práctica son evidentes debido a lo efímero del estado de superposición. En nuestro ejemplo, ese estado de superposición se mantiene durante el tiempo que tarda el fotón en recorrer, a la velocidad de la luz, el trayecto desde la vidriera a la retina del observador. Algo así como una fracción de millonésima de segundo.

Vale anotar que este experimento de interponer en el camino de un haz de luz un espejo semitransparente, de forma que parte de la luz se refleje y parte lo atraviese, se utiliza para muchos experimentos con los cuales explorar el mundo cuántico.

¿Qué podemos hacer con los qubits entonces?

Podemos preguntarnos, legítimamente, para qué toda esta complicación, cómo es que utilizando qubits y superposición se gana algo en materia de computación. La clave está en notar –y fue lo que vio el físico y premio nobel Richard Feynman en 1982– que si un qubit puede representar dos estados al mismo tiempo, dos qubits pueden representar cuatro estados, diez qubits, 1024 estados y así sucesivamente. Es decir, una colección de qubits debidamente instruidos puede representar al mismo tiempo una colección de soluciones para un problema, alguna de las cuales puede ser la correcta.

Visto de otro modo, un conjunto de qubits en estado de superposición son potencialmente una ventana a múltiples universos paralelos. En cada uno de estos universos habita una solución correcta o incorrecta al problema. La gracia está en ver si es posible, de alguna forma, pescar y traer al mundo real un colapso que contenga la solución correcta. Eso precisamente fue lo que el matemático Peter Shor, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), de Estados Unidos, demostró, en 1994, que teóricamente se podría hacer para un tipo particular de problema. La demostración de Shor validó la conjetura de Feynman y por lo tanto fue el disparo de largada en la carrera por construir una computadora cuántica real.

Cuanto mayor la cantidad de qubits, mayor la cantidad de soluciones que se pueden ensayar, y esa es otra de las claves de la dificultad para hacer una computadora cuántica. Cuanto mayor la cantidad de qubits, mayor la cantidad de fallas y errores debido a su fragilidad inherente. Si preservar un qubit en estado de superposición ya es difícil, hacerlo con diez, 100 o miles al mismo tiempo es proporcionalmente más difícil aún. Las computadoras cuánticas de hoy operan en forma más o menos consistente con unas pocas decenas de qubits, lo que las limita a prueba de conceptos más que producción real. Para resolver problemas útiles en el mundo real se necesitan máquinas que funcionen de manera rutinaria con miles de qubits.

La superposición cuántica no es la única forma de representar al mismo tiempo varias alternativas; los qubits también se pueden relacionar entre sí con otra propiedad aún más sorprendente de la mecánica cuántica: el entrelazamiento. En otro momento veremos con más detalle de qué se trata, pero lo importante es que si además de superposición podemos incorporar el entrelazamiento a un conjunto de qubits en una computadora cuántica, entonces su potencia para explorar opciones simultáneamente se dispara exponencialmente por encima todavía de la que da sólo la superposición, aunque ya sea bastante. Dicho en sentido figurado, abrimos un portal a millones de universos paralelos. Como es de suponer, lograr entrelazamiento combinado con superposición es aún mas difícil.

Hoy por hoy la carrera por la computadora cuántica tiene muchos protagonistas atacando el problema de construir un qubit utilizable en forma regular en grandes cantidades. Hay sistemas con fotones, con iones, con electrones aislados, con superconductores ultracongelados y más. Ninguna se ha despegado aún como tecnología dominante, pero parece bastante probable, a juzgar por la historia, que finalmente se decantará por alguna o a lo sumo unas pocas que brinden qubits en cantidad, calidad y costo aptos para uso práctico.

¿Qué falta para tener computadoras cuánticas trabajando en serio?

El principal obstáculo está en la fragilidad intrínseca de la superposición cuántica, la tendencia de los qubits a decaer antes de llegar a procesar completamente un algoritmo y la dificultad de lograr una perfecta aislación del resto del mundo para evitarlo, que hace difícil construir sistemas confiables con gran cantidad de qubits a costos accesibles.

Hay que recalcar que una vez que un qubit de alguna forma se establece en superposición de estados, es esencial que no sea observado de ningún modo antes de llegar a un resultado, porque de lo contrario la superposición colapsa. El desarrollo de tecnologías para superar estos obstáculos hoy es un campo en el que se concentra gran esfuerzo e inversión. Un camino es fabricar conjuntos de qubits con elementos redundantes y mecanismos de detección y corrección automática de errores. Esta estrategia es una herramienta estándar en tecnologías de información y comunicaciones desde larga data e hizo viable, por ejemplo, la introducción del CD hace 40 años. De esa forma es posible escalar en tamaño y seguir siendo utilizable a pesar de la acumulación inevitable de errores.

Una estrategia complementaria es la de aceptar que los cálculos realizados por una computadora cuántica no necesariamente son exactos como los que estamos acostumbrados a recibir de una computadora clásica. Eventualmente podríamos hallar soluciones aproximadas que sean buenas o un mejor esfuerzo, útiles a los efectos prácticos. De alguna manera vamos convergiendo a sistemas complejos y falibles, pero de cualquier forma exitosos, como nuestro propio cerebro.

Existe consenso en la industria en cuanto a que en esta década se comenzarán a ver las primeras aplicaciones prácticas de computadoras cuánticas en las cuales la tecnología de fabricación y funcionamiento habrán logrado escalar al nivel de miles de qubits operacionales. Para preparar el terreno, IBM, Google, Amazon, entre otros, dan acceso vía web a capacitación y simuladores que, sin la velocidad ni la capacidad de una computadora cuántica real, permiten de todas maneras desarrollar algoritmos y validar soluciones para diferentes problemas a cuenta de lo que se espera esté en producción en un futuro más o menos cercano.