Imagínese alumbrar una habitación oscura con una linterna. Puedes predecir exactamente lo que hará la luz: viajar en línea recta de un punto a otro. Esto parece obvio, porque en el mundo que vemos a nuestro alrededor, la luz parece seguir un camino único y claro.
La mecánica cuántica presenta un panorama mucho más extraño.
Si nos acercamos a la escala atómica, la luz no se comporta como si siguiera una sola ruta recta. En cambio, una partícula de luz explora todos los caminos disponibles a la vez. Una pista puede ser realmente una línea recta que cruza la habitación. Pero otros podrían implicar que la luz rebote en las paredes, se curve en el espacio o tome desvíos increíblemente improbables antes de llegar a su destino.
En cierto sentido, la naturaleza mantiene “vivas” todas estas posibilidades al mismo tiempo. Un resultado surge sólo después de que se “observa” o mide la luz. El camino que observas (generalmente una línea recta) es simplemente el resultado más probable después de que todos los caminos posibles hayan interactuado, lo que hace que algunos resultados sean más probables y otros menos probables.
Esta idea parece casi imposible desde la perspectiva de la vida cotidiana, pero se encuentra en el corazón de la mecánica cuántica. Hoy en día, los científicos como yo estamos aprendiendo cómo utilizar estos extraños efectos cuánticos para construir un tipo de máquina completamente nuevo: la computadora cuántica.
Superposición
En la vida cotidiana, la física es simple. La pelota de tenis se asienta sobre la mesa o no. La luz está encendida o apagada. Incluso si estás en otra habitación y no sabes cuál es, el objeto en sí ya tiene un estado establecido.
La mecánica cuántica no sigue estas reglas habituales. Según las leyes de la mecánica cuántica, los resultados no son fijos hasta que alguien los observa.
A escalas muy pequeñas, las partículas no tienen estados definidos. Más que ser uno u otro, existen en un estado que aún no está decidido. Esto no se debe a que te falte información, sino a que la realidad misma no se ha asentado.
Los electrones, fotones y átomos pueden estar en superposición: un estado que mezcla varios estados posibles. Una partícula puede estar aquí, allá o en algún punto intermedio. El gato de Schrödinger es un ejemplo famoso: un gato en una caja cerrada, conectado a un dispositivo cuántico, está vivo y muerto hasta que alguien lo comprueba.
Por extraño que parezca, la superposición se ha confirmado repetidamente en experimentos de laboratorio. Sin embargo, estos estados cuánticos son extremadamente frágiles. Las interacciones con el mundo exterior (como el calor, las vibraciones, los campos electromagnéticos dispersos o incluso el contacto accidental con las partículas circundantes) pueden destruir la delicada superposición, forzando al sistema a entrar en un solo estado.
El gato de Schrödinger es un experimento mental que puede ayudarte a imaginar la superposición cuántica.
Los físicos llaman a este proceso decoherencia. Un sistema cuántico se comporta como una moneda que gira. Mientras la moneda sigue girando en el aire, desde nuestra perspectiva no es ni cara ni cruz; ambos resultados siguen siendo posibles. En mecánica cuántica, las partículas pueden existir en un tipo similar de mezcla, una superposición en la que coexisten varios estados posibles a la vez.
Sólo cuando se realiza una medición el sistema “elige” un resultado definitivo, de forma muy similar a como una moneda al aire finalmente sale cara o cruz.
Los físicos llaman a este proceso colapso, pero los científicos aún no han resuelto el enigma fundamental que impulsa este fenómeno. Imagínese transmitir música. Los datos permanecen en su forma original hasta que inicias un servicio de transmisión, que puede reproducir cualquier canción. Al presionar play, ese potencial se convierte en una canción real. La medición de partículas cuánticas produce un efecto similar al obligar a que todos los resultados posibles se colapsen en un resultado único y real.
Amistades espeluznantes a larga distancia
La superposición no es la única característica extraña de la mecánica cuántica. El segundo es el entrelazamiento: un fenómeno que ocurre cuando dos partículas interactúan de tal manera que sus propiedades quedan profundamente vinculadas, incluso cuando están separadas por grandes distancias.
Cuando dos partículas interactúan de cierta manera, pueden entrelazarse. Esto significa que medir uno inmediatamente te dice algo sobre el otro, sin importar qué tan lejos estén. A Einstein no le gustó esta idea y la llamó “acción espeluznante a distancia”. Pensó que a la teoría cuántica le faltaba algo. Pero después de muchos experimentos, los científicos han demostrado que el entrelazamiento cuántico es real.
Una buena forma de visualizar esto es pensar en dos bailarines. Después de mucha práctica, pueden igualar los movimientos de los demás en diferentes escenas sin hablar. Su sincronización perfecta proviene de una rutina que aprendieron juntos.
De la rareza a un nuevo tipo de computadora
Entonces, ¿qué significa todo esto para el futuro de la informática?
Una computadora normal, como la que tienes en tu escritorio, usa bits. Cada bit es cero o uno, como un interruptor de luz. Todas tus fotos, vídeos y mensajes son sólo largas cadenas de estos interruptores. Pero una computadora cuántica usa qubits. Debido a la superposición, un qubit puede ser cero, uno o una combinación de ambos a la vez. Dos qubits pueden codificar simultáneamente cuatro posibilidades; 10 qubits pueden codificar 1,024; y 300 qubits pueden representar más estados que átomos hay en el universo.
Las computadoras cuánticas pretenden realizar ciertos cálculos mucho más rápido que las computadoras clásicas, pero los sistemas actuales aún enfrentan importantes limitaciones en velocidad, estabilidad y capacidad informática.
Una computadora estándar funciona como un corredor que tiene que recorrer cada camino del laberinto comprobando cada ruta por turno. Los estados cuánticos evolucionan de modo que las vías computacionales útiles se refuerzan entre sí, guiando al sistema hacia el resultado correcto.
Estas tareas incluyen simular cómo interactúan las moléculas para ayudar a los científicos a diseñar nuevos medicamentos, descubrir materiales que podrían mejorar tecnologías como paneles solares y baterías, y avanzar en campos como la criptografía.
Cerraduras de Internet y sus llaves.
Casi toda la información privada enviada en línea (extractos bancarios, mensajes personales, registros médicos) está protegida por el cifrado Rivest-Shamir-Adleman, o RSA, uno de los métodos más utilizados para proteger las comunicaciones digitales. RSA se basa en la multiplicación de dos números primos grandes. Es seguro porque, aunque es fácil multiplicarlos, sería muy difícil tomar el resultado y trabajar hacia atrás para determinar qué números primos se utilizaron. A una computadora común le tomaría miles de millones de años descifrar una clave RSA segura mediante conjeturas.
Sin embargo, en 1994 el matemático Peter Shore demostró que un ordenador cuántico suficientemente potente podría resolver este problema en tan sólo unas horas. Las computadoras cuánticas actuales aún no son lo suficientemente grandes, pero el rápido progreso significa que podríamos verlo en los próximos 10 a 20 años.
Debido a estos avances, los expertos en seguridad han advertido contra un enfoque de “cosechar ahora, descifrar después”. Los piratas informáticos ya están recopilando datos cifrados, con la esperanza de que las próximas computadoras cuánticas les permitan desbloquearlos. Por ejemplo, los registros sanitarios de 2026 podrían estar en riesgo en 2040.
IBM presentó una demostración de computadora cuántica en la conferencia de telecomunicaciones de 2024 Dev Jadia/Wikimedia Commons, CC BI-SA
La mecánica cuántica no sólo amenaza los sistemas de seguridad existentes, sino que también permite nuevas formas de protección. La distribución de claves cuánticas podría explotar las delicadas propiedades de los estados cuánticos para detectar espías. Si alguien intentara interceptar un mensaje cuántico, cambiaría el sistema y dejaría señales claras de manipulación.
Investigadores chinos demostraron la distribución de claves cuánticas vía satélite en 2017, y los gobiernos de todo el mundo están trabajando ahora en redes cuánticas seguras.
Pero este progreso también plantea cuestiones éticas. Las mismas herramientas cuánticas que pueden ayudar a los científicos a comprender las proteínas también pueden usarse para espiar mensajes privados. Los primeros países y empresas que construyan computadoras cuánticas que puedan superar a las clásicas tendrán un poder significativo sobre los demás.
Este cambio podría llegar a ser tan importante como la invención de la escritura o la tecnología nuclear. La tecnología en sí misma no es buena ni mala; lo que importa es cómo la usa la gente.
¿Dónde estamos realmente?
En 2019, Google dijo que su procesador Sycamore realizaba un determinado cálculo en 200 segundos. El equipo estimó que una supercomputadora típica tardaría 10.000 años en completar la misma tarea. Algunas personas cuestionaron esa afirmación y el cálculo no fue muy útil, pero de todos modos fue un gran paso: un verdadero ejemplo de “beneficio cuántico”.
La computadora cuántica Sycamore de Google intenta resolver problemas complejos más rápido que una computadora clásica.
Actualmente, IBM, Google e IonK, así como muchas universidades, están trabajando en la construcción de computadoras cuánticas más grandes y confiables. El principal problema es que los qubits son extremadamente frágiles. Incluso pequeños detalles, como vibraciones, luz parásita o pequeños cambios de temperatura, pueden estropear su estado. La mayoría de las computadoras cuánticas deben enfriarse a temperaturas incluso más frías que las del espacio.
Es poco probable que las computadoras cuánticas reemplacen su computadora de escritorio o aceleren sus tareas informáticas diarias. Pero son parte de una revolución tecnológica que podría hacer avanzar la medicina, la ciencia de los materiales y la ciberseguridad. Es probable que ese impacto se produzca gradualmente: en un futuro próximo, las computadoras cuánticas seguirán siendo herramientas de investigación especializadas, pero durante la próxima década o dos pueden comenzar a desempeñar un papel práctico en una variedad de campos.
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