Durante las últimas cinco décadas, los procesadores informáticos convencionales se han vuelto cada vez más rápidos. Sin embargo, en los últimos años, los límites de esa tecnología se han hecho evidentes: los componentes de los chips solo pueden reducirse hasta cierto tamaño y colocarse a una distancia mínima entre sí antes de superponerse o provocar cortocircuitos. Si las empresas quieren seguir construyendo ordenadores cada vez más rápidos, algo tendrá que cambiar.
Una de las principales esperanzas para el futuro de una computación cada vez más rápida es mi propio campo: la física cuántica. Se espera que los ordenadores cuánticos sean mucho más rápidos que cualquier tecnología desarrollada hasta ahora en la era de la información. Pero mis investigaciones recientes han revelado que los ordenadores cuánticos también tendrán sus propios límites y han sugerido maneras de averiguar cuáles son.
Los límites de la comprensión
Para los físicos, los seres humanos vivimos en lo que se llama el mundo «clásico». La mayoría de la gente simplemente lo llama «el mundo» y ha llegado a comprender la física de manera intuitiva: por ejemplo, al lanzar una pelota, esta sube y luego vuelve a bajar siguiendo una trayectoria predecible.
Incluso en situaciones más complejas, la gente suele tener una comprensión inconsciente de cómo funcionan las cosas. La mayoría entiende, en términos generales, que un coche funciona al quemar gasolina en un motor de combustión interna (o al extraer la electricidad almacenada en una batería) para producir energía, que se transmite a través de engranajes y ejes para hacer girar las ruedas, las cuales empujan contra la carretera y hacen avanzar el coche.
Según las leyes de la física clásica, estos procesos tienen límites teóricos. Pero son inalcanzablemente altos: por ejemplo, sabemos que un coche nunca puede ir más rápido que la velocidad de la luz. Y, por mucho combustible que haya en el planeta, por muchas carreteras que existan o por sólidos que sean los métodos de construcción, ningún coche se acercará siquiera al 10 % de la velocidad de la luz.
La gente nunca llega a encontrarse con los límites físicos reales del mundo, pero estos existen y, con una investigación adecuada, los físicos pueden identificarlos. Hasta hace poco, sin embargo, los académicos solo tenían una idea bastante vaga de que la física cuántica también tenía límites, pero no sabían cómo determinar de qué manera podrían aplicarse en el mundo real.
La incertidumbre de Heisenberg
Los físicos remontan los orígenes de la teoría cuántica a 1927, cuando el físico alemán Werner Heisenberg demostró que los métodos clásicos no funcionaban con objetos muy pequeños, de un tamaño aproximado al de átomos individuales. Por ejemplo, cuando alguien lanza una pelota, es fácil determinar con exactitud dónde está y a qué velocidad se mueve.
Pero, como demostró Heisenberg, eso no es cierto para los átomos y las partículas subatómicas. En cambio, un observador puede ver dónde está o a qué velocidad se mueve, pero no ambas cosas exactamente al mismo tiempo. Es una constatación desconcertante: desde el mismo momento en que Heisenberg explicó su idea, Albert Einstein (entre otros) se sintió incómodo con ella. Es importante comprender que esta «incertidumbre cuántica» no es una deficiencia de los equipos de medición ni de la ingeniería, sino una consecuencia del funcionamiento de nuestro cerebro. Hemos evolucionado hasta acostumbrarnos tanto al funcionamiento del «mundo clásico» que los mecanismos físicos reales del «mundo cuántico» simplemente escapan a nuestra capacidad de comprenderlos por completo.
Adentrarse en el mundo cuántico
Si un objeto del mundo cuántico viaja de un lugar a otro, los investigadores no pueden medir con exactitud cuándo ha salido ni cuándo llegará. Los límites de la física imponen un pequeño retraso a su detección. Así que, por rápido que ocurra realmente el movimiento, no se detectará hasta un poco más tarde. (Los intervalos de tiempo son increíblemente breves —cuadrillonésimas de segundo—, pero se acumulan a lo largo de billones de cálculos informáticos).
Ese retraso reduce en la práctica la velocidad potencial de un cálculo cuántico: impone lo que llamamos el «límite de velocidad cuántico».
En los últimos años, las investigaciones en las que mi grupo ha contribuido de manera significativa han demostrado cómo se determina este límite de velocidad cuántico en distintas condiciones, por ejemplo, al usar diferentes tipos de materiales en distintos campos magnéticos y eléctricos. En cada una de estas situaciones, el límite de velocidad cuántico es un poco más alto o un poco más bajo.
Para gran sorpresa de todos, incluso descubrimos que a veces hay factores inesperados que pueden acelerar las cosas, en ocasiones de maneras contraintuitivas.
Para entender esta situación, puede ser útil imaginar una partícula que se mueve por el agua: al avanzar, desplaza las moléculas de agua. Cuando la partícula ya ha pasado, las moléculas de agua vuelven rápidamente a su lugar y no dejan rastro de su paso.
Ahora imagina que esa misma partícula se desplaza por la miel. La miel tiene una viscosidad mayor que el agua —es más espesa y fluye más lentamente—, así que sus partículas tardan más en volver a su lugar cuando la partícula pasa. Pero en el mundo cuántico, el flujo de retorno de la miel puede generar una presión que impulsa hacia delante a la partícula cuántica. Esta aceleración adicional puede hacer que el límite de velocidad de una partícula cuántica sea distinto de lo que un observador esperaría en otras circunstancias.
Diseñar ordenadores cuánticos
A medida que los investigadores comprendan mejor este límite de velocidad cuántico, eso influirá en el diseño de los procesadores de los ordenadores cuánticos. Al igual que los ingenieros descubrieron cómo reducir el tamaño de los transistores y colocarlos más juntos en un chip de ordenador clásico, necesitarán innovar con ingenio para construir los sistemas cuánticos más rápidos posibles, que funcionen lo más cerca posible del límite de velocidad definitivo.
A los investigadores como yo nos queda mucho por explorar. No está claro si el límite de velocidad cuántico es tan alto que resulta inalcanzable, como el caso del coche que nunca llegará siquiera a acercarse a la velocidad de la luz. Y no entendemos del todo cómo elementos inesperados del entorno —como la miel del ejemplo— pueden ayudar a acelerar los procesos cuánticos. A medida que las tecnologías basadas en la física cuántica se vuelvan más comunes, tendremos que averiguar más sobre dónde están los límites de la física cuántica y cómo diseñar sistemas que aprovechen al máximo lo que sabemos.
