Lo único que todo el mundo sabe de la mecánica cuántica es su legendaria extrañeza, según la cual los principios básicos del mundo que describe parecen ajenos al mundo en el que vivimos. La superposición, en la que las cosas pueden encontrarse en dos estados simultáneamente, un interruptor encendido y apagado a la vez, un gato tanto muerto como vivo. O el entrelazamiento, lo que Einstein llamó “acción espeluznante a distancia”, en la que los objetos están vinculados de forma invisible, incluso cuando están separados por enormes distancias.
Pero, sea extraña o no, la teoría cuántica está a punto de cumplir un siglo y ha encontrado numerosas aplicaciones en la vida cotidiana. Como dijo en su día John von Neumann: «No se entiende la mecánica cuántica, simplemente uno se acostumbra a ella». Gran parte de la electrónica se basa en la física cuántica, y la aplicación de la teoría cuántica a la computación podría abrir enormes posibilidades para los complejos cálculos y el procesamiento de datos que vemos hoy en día.
Imagine un procesador capaz de aprovechar la superposición para calcular simultáneamente el resultado de un número arbitrariamente grande de permutaciones de un problema complejo. Imagine cómo el entrelazamiento podría utilizarse para vincular sistemas situados en diferentes puntos del planeta y combinar sus esfuerzos, a pesar de su separación física. La computación cuántica tiene un enorme potencial, facilitando enormemente algunas de las tareas más difíciles, como simular la respuesta del organismo a los fármacos, predecir patrones meteorológicos o analizar grandes conjuntos de datos.
Estas posibilidades de procesamiento son necesarias. Los primeros transistores apenas podían sostenerse en la mano, mientras que hoy miden tan solo 14 nm, es decir, 500 veces más pequeños que un glóbulo rojo. Esta reducción incesante, prevista por el fundador de Intel, Gordon Moore, como la ley de Moore, se ha cumplido durante 50 años, pero no puede mantenerse indefinidamente. El silicio solo puede reducirse hasta cierto punto y, si queremos seguir beneficiándonos de las mejoras de rendimiento a las que nos hemos acostumbrado, necesitamos un enfoque diferente.
Fabricación cuántica
Los avances en la fabricación de semiconductores han hecho posible producir en serie semiconductores a escala cuántica: circuitos electrónicos que presentan efectos cuánticos como la superposición y el entrelazamiento.
La imagen, captada a escala atómica, muestra una sección transversal de un posible candidato para los bloques de construcción de un ordenador cuántico: un nanoanillo semiconductor. Los electrones atrapados en estos anillos presentan las extrañas propiedades de la mecánica cuántica, y los procesos de fabricación de semiconductores están en condiciones de integrar los elementos necesarios para construir un ordenador cuántico. Aunque podríamos construir un ordenador cuántico utilizando estructuras como estas, todavía existen grandes desafíos.
En un procesador de ordenador clásico, un gran número de transistores interactúan de forma condicional y predecible entre sí. Pero el comportamiento cuántico es muy frágil; por ejemplo, según la física cuántica, incluso medir el estado del sistema, como comprobar si el interruptor está encendido o apagado, altera realmente lo que se observa. Dirigir una orquesta de sistemas cuánticos para producir resultados útiles que un ordenador clásico no pueda gestionar fácilmente es extremadamente difícil.
Pero se han realizado enormes inversiones: el Gobierno del Reino Unido anunció una financiación de £270m para tecnologías cuánticas en 2014, por ejemplo, y empresas como Google, NASA y Lockheed Martin también trabajan en este campo. Es difícil predecir el ritmo del progreso, pero un ordenador cuántico útil podría estar a diez años de distancia.
El elemento básico de la computación cuántica se conoce como cúbit, el equivalente cuántico de los bits utilizados en los ordenadores tradicionales. Hasta la fecha, los científicos han aprovechado sistemas cuánticos para representar cúbits de muchas maneras diferentes, desde defectos en diamantes hasta nanoestructuras semiconductoras o diminutos circuitos superconductores. Cada una de ellas tiene sus propias ventajas e inconvenientes, pero ninguna cumple todavía todos los requisitos de un ordenador cuántico, conocidos como el criterios de DiVincenzo.
El progreso más impresionante ha venido de D-Wave Systems, una empresa que ha conseguido integrar cientos de cúbits en un pequeño chip de aspecto similar a un procesador tradicional.
Secretos cuánticos
Sin embargo, los beneficios de aprovechar las tecnologías cuánticas no se limitan a la computación. Tanto si la computación cuántica amplía o complementa la computación digital como si no, los mismos efectos cuánticos pueden aprovecharse para otros fines. El ejemplo más maduro es la comunicación cuántica.
Se ha propuesto la física cuántica como medio para evitar la falsificación de objetos de valor, como un billete de banco o un diamante, tal como se ilustra en la imagen siguiente. En este caso, las reglas inusualmente restrictivas incorporadas en la física cuántica resultan útiles: no pueden realizarse copias perfectas de estados desconocidos, y las mediciones alteran los sistemas que miden. Estas dos limitaciones se combinan en este esquema cuántico contra la falsificación, lo que hace imposible copiar la identidad del objeto en el que están almacenadas.
El concepto de dinero cuántico es, lamentablemente, muy poco práctico, pero la misma idea se ha extendido con éxito a las comunicaciones. La idea es sencilla: el acto de medir estados de superposición cuántica altera lo que se intenta medir, por lo que es posible detectar la presencia de un espía que realice tales mediciones. Con el protocolo adecuado, como BB84, es posible comunicarse en privado, estando esa privacidad garantizada por las leyes fundamentales de la física.
Hoy en día, los sistemas de comunicación cuántica están disponibles comercialmente en empresas como Toshiba e ID Quantique. Aunque su implementación todavía es torpe y costosa, se volverá más racionalizada y miniaturizada, como ya han hecho los transistores en los últimos 60 años.
Las mejoras en las técnicas de fabricación a nanoescala acelerarán enormemente el desarrollo de tecnologías basadas en la cuántica. Y, aunque la computación cuántica útil todavía parece estar algo lejos, su futuro es, en efecto, muy emocionante.
Este artículo se publica en colaboración con The Conversation. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: Robert Young es investigador y profesor en la Universidad de Lancaster.
Imagen: Una oblea de 12 pulgadas se muestra en la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) en Xinchu. REUTERS/Richard Chung
