El paradigma de la computación cuántica

Las computadoras que usamos funcionan bajo un paradigma muy interesante, que es el álgebra booleana, inventada por George Boole, en donde hay solamente dos símbolos, “1” y “0”, así como funciones lógicas como AND, OR y XOR, además de las operaciones matemáticas comunes, suma y resta.

Las computadoras que usamos funcionan bajo un paradigma muy interesante, que es el álgebra booleana, inventada por George Boole, en donde hay solamente dos símbolos, “1” y “0”, así como funciones lógicas como AND, OR y XOR, además de las operaciones matemáticas comunes, suma y resta. Hay otras operaciones que se hacen sobre cadenas de ceros y unos, pero éstas se pueden definir fácilmente en esta álgebra. ¿Y cómo es que con ceros y unos se representan los números, las palabras, ciertos conceptos, etcétera? Es fácil: se parte de que en un cable puede o no pasar corriente eléctrica, y esto define entonces un bit de información. Si tomamos 8 cables, es decir 8 bits de información, podemos pasar hasta 256 posibles valores de ceros y unos, esto es, de electricidad o no-electricidad, por esos ocho cables. Esto es lo que en computación se llama un byte y es la unidad de información más usada.

Con este modelo se han logrado crear computadoras cada vez más poderosas por ser muy rápidas y además, pudiendo procesar ya no sólo bytes, sino “palabras” de 64 bits. Esto permite hacer cálculos más rápidos y tener incluso más precisión que cuando solamente se tienen 8 bits. Y así, la tecnología, el hardware de las computadoras modernas, nos dan la posibilidad de analizar mucho más información que antes y además, hacerlo de manera más rápida y eficiente. Desde luego que para todo esto se requiere de software, de los programas informáticos, que son la “gasolina” de nuestras computadoras y que sin ellos tendríamos simplemente máquinas inútiles.

Y por muchos años el esfuerzo de los fabricantes de microprocesadores han buscado intensamente cómo poner más transistores en en placas de silicio cada vez más chicas, para así hacer máquinas más potentes y veloces. De hecho, hoy día se fabrican computadoras que corren a unos 4 GHz, que son unas 4 mil veces lo que corrían los procesadores de 8 bits. El avance es extraordinario.

Sin embargo, se buscan otras alternativas al cómputo y una de ellas es el llamado “Cómputo Cuántico”, el cual se basa en las extrañas propiedades del mundo de las partículas elementales, descrito en gran parte por el llamado “Modelo Estándar” de la física, el cual es una de las teorías más exitosas con las que contamos.

Pero el mundo de la computación cuántica tiene que lidiar con conceptos que no son tan intuitivos de comprender. Uno de ellos es que en un byte pueden coexistir, al mismo tiempo, todos sus 256 posibles valores, del 0 al 255. ¿Cómo es posible esto? Muy fácil: porque de acuerdo al modelo estándar, la función de onda que describe el sistema, tiene todos los valores posibles. No obstante esto, cuando observamos el valor de un byte cuántico, hallamos que la función de onda se colapsa y entonces el byte tiene un solo valor.

¿Le suena poco intuitivo? Quizás no lo es tanto. Imagine que usted de pronto se acuerda de un amigo que hace años que no ve. Y quizás se pregunte si su amigo está vivo o no. No lo sabemos en realidad y podemos usar la idea de la mecánica cuántica. Por ejemplo, podemos decir que nuestro amigo está vivo y muerto al mismo tiempo, es decir, tiene todos los posibles valores posibles en este evento, estar vivo o no estarlo. Y entonces, cuando de pronto recibimos la llamada de ese amigo, o lo vemos en la calle, la incertidumbre desaparece, la función de onda se colapsa y decimos entonces: nuestro amigo está vivo.

El tema lo planteó Erwin Schroedinger en los años treinta del siglo pasado, para tratar la polémica de la paradoja EPR, la cual fue un catalizador para tratar de entender algunos de los eventos fantásticos de la física de las partículas. Schroedinger usó para ello un experimento como el que mencionamos del amigo, pero en este caso se usó un gato, el cual está en una caja con un dispositivo que aleatoriamente  lanza una partícula que enciende un dispositivo que lanza radiación y mata al gato. La pregunta es si el gato está muerto o no. Schroedinger dice que está vivo y que está muerto al mismo tiempo, vamos, tiene todos los posibles estados este sistema, los cuales, al abrir la caja y observar al gato, colapsan la función de onda y así sabemos si finalmente se disparó la partícula y prendió el dispositivo que mató al gato o no.

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Y a pesar del sinfín de discusiones al respecto, siempre queda la duda de si todo esto no es más que una narrativa complicada para tratar de entender el problema de los múltiples estados al mismo tiempo en un sistema cuántico. Quizás –como Einstein sugería– estamos ante el caso sencillo de que no hay tales estados, simplemente no tenemos la información y por eso no podemos saber si el gato vive o no.

El tema de la computación cuántica requiere entender estos conceptos, familiarizarse con ellos y probablemente con el tiempo estas ideas poco intuitivas se conviertan en comunes. Además, hoy existen algunos lenguajes de programación que usan computación cuántica, por lo que poco a poco es probable que este tipo de sistemas encuentren un nicho aceptable para usarse. Desde luego que se requiere de mucha más tecnología en las computadoras cuánticas que en las clásicas, pero el paradigma parece no tan complicado y que parece abrir nuevas posibilidades al mundo de la computación en general.