En 1936, Alan Turing propuso la máquina de Turing, que se convirtió en el punto de referencia fundamental para las teorías sobre la computación y las computadoras. Por la misma época, Konrad Zuse inventó la computadora Z1, considerada la primera computadora binaria electromagnética.
Lo que sucedió después es historia, y en el mundo actual las computadoras están por todas partes. Nuestras vidas son radicalmente distintas de como eran incluso a finales del siglo XX, y nuestros teléfonos móviles tienen procesadores mucho más potentes que las computadoras de escritorio de hace solo unos pocos años. La llegada del Internet de las Cosas lleva la potencia informática a cada detalle de nuestra vida. La World Wide Web ha tenido un efecto tan transformador en la sociedad que muchas personas ni siquiera recuerdan una vida anterior a estar en línea.
El principal catalizador de esta transformación fue el descubrimiento del silicio y su uso en la fabricación de buenos transistores. Esto ocurrió a lo largo de más de 100 años, desde que Michael Faraday registró por primera vez el efecto semiconductor en 1833, a través de Morris Tanenbaum, quien construyó el primer transistor de silicio en Bell Labs en 1954, hasta el primer circuito integrado en 1960.
Estamos a punto de emprender un viaje similar en nuestra búsqueda por construir la computadora de próxima generación. La física cuántica, que surgió a principios del siglo XX, es tan poderosa y a la vez tan distinta de todo lo conocido hasta entonces que incluso sus inventores tuvieron dificultades para entenderla en detalle.
Una historia del futuro
A principios de los años ochenta, Richard Feynman, Paul Benioff y Yuri Manin sentaron las bases de un paradigma completamente nuevo de la computación cuántica, al introducir la idea de que la computación cuántica tenía el potencial de resolver problemas que la «computación clásica» no podía. Así, la computación cuántica se consolidó por derecho propio.
Peter Shor publicó un algoritmo en 1994 capaz de resolver de forma eficiente problemas de criptografía que son difíciles de resolver para las computadoras clásicas – es decir, la gran mayoría de las computadoras que se usan hoy. De hecho, el algoritmo de Shor sigue amenazando los fundamentos de la mayor parte del cifrado que se utiliza en todo el mundo.
El problema era que, en 1994, no había ninguna computadora cuántica a la vista. En 1997 se construyó la primera computadora cuántica diminuta, pero el campo solo despegó de verdad cuando la startup canadiense D-Wave presentó su computadora cuántica de 28 cúbits en 2007.
Al igual que la trayectoria de la comunicación no cuántica, que tardó más de 100 años desde su descubrimiento hasta su uso masivo, las computadoras cuánticas están madurando ahora muy rápidamente. Hoy, muchos actores participan en una carrera por ver quién construye primero una computadora cuántica potente. Entre ellos figuran empresas comerciales como IonQ, Rigetti, IBM, Google, Alibaba, Microsoft e Intel, mientras que prácticamente todos los principales Estados nacionales destinan miles de millones de dólares al desarrollo y la investigación de la computación cuántica.
Las computadoras cuánticas son tan potentes, aunque tan difíciles de construir, que quien logre descifrar el código tendrá una ventaja duradera y considerable. Esto no puede subestimarse. Aquí tienen un ejemplo llamativo del poder de la computación cuántica.
Para romper el cifrado RSA de 2048 bits, ampliamente utilizado, una computadora clásica con un billón de operaciones por segundo necesitaría alrededor de 300 billones de años. Es un periodo tan largo que todos nos sentimos muy seguros.
Una computadora cuántica que utilice el algoritmo de Shor podría lograr lo mismo en tan solo 10 segundos, con un modesto millón de operaciones por segundo. Ese es el poder de las computadoras cuánticas: 300 billones de años frente a 10 segundos.
Otra razón por la que los Estados nacionales vuelcan tanto dinero en este campo es precisamente que, dada su dificultad, cualquier logro proporcionará directamente una ventaja duradera.
Entonces, ¿dónde se encuentran hoy las computadoras cuánticas y hacia dónde se dirigen?
Computación cuántica: un proceso en curso
Teniendo en cuenta los inmensos desafíos que supone construir computadoras cuánticas, diría que estamos más o menos donde estaban las computadoras clásicas alrededor de 1970. Tenemos algunas computadoras cuánticas, pero siguen siendo bastante poco fiables en comparación con el estándar actual. Las llamamos dispositivos NISQ: dispositivos cuánticos ruidosos de escala intermedia (Noisy Intermediate-Scale Quantum). Son «ruidosos» porque son bastante deficientes, y de «escala intermedia» por su reducido número de cúbits. Pero funcionan. Hay algunas computadoras cuánticas públicas disponibles para que cualquiera pueda programarlas. IBM, Rigetti, Google e IonQ ofrecen todos acceso público, con herramientas de código abierto, al hardware real de computación cuántica. IBM incluso vende una computadora cuántica que puede instalarse en su propio centro de datos (la IBM Q System One).
Pero todavía no son lo bastante potentes como para romper las claves RSA de 2048 bits, y probablemente no lo serán dentro de otros 10 a 20 años.
La fecha de comparación de 1970 también funciona desde otro ángulo. En octubre de 1969, los investigadores enviaron el primer mensaje por internet (entonces se llamaba ARPANET). Cuando intentaron enviar la única palabra «login», el sistema se bloqueó después de enviar la «l» y la «o». Más tarde se recuperó y el mensaje se envió con éxito.
Hoy también estamos construyendo un sistema de comunicación cuántica que no transmite bits y bytes, sino estados cuánticos que las computadoras cuánticas pueden comprender. Esto es importante para poder construir una versión cuántica de internet.
También es importante como forma de cifrar las comunicaciones, ya que el canal cuántico ofrece ciertas garantías físicas inherentes a una transmisión. Sin entrar en demasiados detalles, existe una propiedad fundamental según la cual el simple acto de interceptar o escuchar una comunicación se volverá detectable para las partes que se comunican. No porque tengan un sistema sofisticado, sino por las propiedades fundamentales del canal cuántico.
Pero las computadoras cuánticas no solo son útiles para las aplicaciones de criptografía y comunicación. Una de las aplicaciones más inmediatas está en el aprendizaje automático, donde ya hoy estamos en el umbral de una ventaja cuántica, lo que significa que el algoritmo cuántico superará a cualquier algoritmo clásico. Se cree que la ventaja cuántica para el aprendizaje automático podría alcanzarse en los próximos 6-12 meses. Las aplicaciones a corto plazo de la computación cuántica son infinitas: criptografía, aprendizaje automático, química, optimización, comunicación y muchas más. Y esto es solo el principio, ya que la investigación se extiende cada vez más a otros ámbitos.
Google y la NASA acaban de anunciar que han logrado la «supremacía cuántica». Se trata de la capacidad de las computadoras cuánticas para realizar determinadas tareas que una computadora clásica simplemente no puede llevar a cabo en un plazo razonable. Su computadora cuántica resolvió en 200 segundos un problema que tardaría 10.000 años en resolver el supercomputador más rápido del mundo.
El problema resuelto carece de cualquier utilidad o implicación práctica, pero demuestra el enorme potencial que tienen las computadoras cuánticas y la capacidad de desbloquear ese potencial en los próximos años.
Esto abre una era completamente nueva en la que ahora podemos centrarnos en construir computadoras cuánticas con beneficios prácticos y, aunque esto aún está a muchos años de distancia, será la nueva frontera de la computación.
