El Cúbit

En la vida ordinaria nos comunicamos mediante números y palabras. Nuestro sistema de numeración consta de diez dígitos y las palabras las construimos con veintisiete letras. Cuando hacemos trabajar a un ordenador clásico esto no nos vale porque no se trata de un ser inteligente como nosotros.

En primer lugar sustituimos el sistema decimal de diez números por uno binario que solo necesita de dos números que son el 1 y el 0. Pasar un número del sistema decimal a uno binario es fácil, pues basta con dividir por dos el número y seguidamente ir dividiendo por dos los cocientes que van resultando, hasta agotar todas las divisiones posibles. Después se ordenan los resultados colocando el último cociente seguido por todos los restos en orden inverso al que se han ido obteniendo. De esta forma, el 4 pasa a ser el 100 y el 157 pasa a ser el 11000100010. Esto complicaría mucho un cálculo hecho a mano, pero no supone un inconveniente si se calcula con circuitos cuyos electrones se mueven a velocidades próximas a las de la luz.

Para sustituir lo que serían las comunicaciones verbales y para hacer operaciones se utilizan las llamadas puertas lógicas, que permiten dar instrucciones mediante un lenguaje lógico. Las entradas y las salidas de las puertas son siempre unos y ceros. Una de las puertas más comunes es la puerta OR, como la que se regoge en la figura 1.

Cuando todo esto se realiza con circuitos eléctricos reales, el 1 y el 0 pueden referirse a que hay o no corriente eléctrica, o bien a que hay o no tensión eléctrica. Un ordenador se compone de un número incalculable de puertas y circuitos que trabajan conforme a las leyes de la física clásica. Como toda la información se transmite y maneja a base de unos y ceros, se dice que un uno o un cero, es decir, un estado de cualquier entrada o salida, es una unidad de información. En los ordenadores clásicos esta unidad de información recibe el nombre de bit.

Un ordenador cuántico se diferencia de uno clásico en que funciona siguiendo las leyes de la física cuántica, siendo una de sus características esenciales que la unidad de información ya no es un sí o un no de corriente o de tensión, sino el espín de un átomo ionizado, que puede tomar dos valores, como si se tratara de un pequeño imán que orientara su polo norte hacia arriba o hacia abajo. También se podría utilizar un pequeño circuito superconductor, cuya corriente puede girar en un sentido o en el contrario. Ambas posibilidades se muestran en la figura 2. Como se indica en la figura, en física cuántica el estado de un campo o de cualquier otra cosa se representa encerrando su símbolo entre una raya vertical y un signo «mayor que». Esta unidad de información, el átomo ionizado o el pequeño circuito superconductor, es un bit cuántico y se llama cúbit o qubit.

Y ahora entran en juego las leyes de la física cuántica, leyes que con los niveles de conocimiento actuales no todos comprendemos, pero que se conocen muy bien, y por lo tanto se pueden aplicar. Una de ellas es el principio de superposición. Cuando decimos que el átomo de la figura 2 o la corriente del pequeño circuito superconductor, pueden girar a derecha o izquierda queremos decir que lo hace simultáneamente en ambos sentidos. Esto no se comprende pero es así y se puede comprobar hasta con un experimento casero para el que solo se necesitan unos espejos, un laser y un par de detectores de fotones, todo lo cual se puede comprar por tres mil euros. Por su facilidad de ejecución y su bajo coste este experimento se ha repetido cientos de miles de veces en todo el mundo para demostrar que, aunque no lo podamos comprender, una partícula puede ir por dos caminos a la vez o tener al mismo tiempo dos propiedades cuya simultaneidad nos parece imposible. Otro día haremos este experimento.

Si utilizamos un átomo para la computación cuántica, aprovechando esta propiedad nos encontramos con que puede estar en los dos estados simultáneamente, l 0 > + l 1 >, por lo que puede participar en dos operaciones al mismo tiempo. Dos átomos nos ofrecerían la posibilidad de cuatro superposiciones a la vez:

l 1 > + l 1 > l 1 > + l 0 >

l 0 > + l 1 > l 0 > + l 0 >

Tres átomos nos permitirían ocho superposiciones a la vez, pues cada una de estas cuatro se desdoblaría en dos, debido a las dos posibiliadees del nuevo átomo, y así sucesivamente seguiríamos multiplicando por dos, de manera que n átomos nos ofrecerían la posibilidad de hacer 2ⁿ operaciones diferentes de forma simultánea. Si en un ordenador pudiéramos tener trescientos cúbit, podríamos hacer 2³⁰⁰ operaciones diferentes a la vez, que es un número de ochenta cifras. Un ordenador clásico tendría que hacer estas operaciones de una en una. La diferencia no es un cambio de escala, sino un salto a otra galaxia. Y lo mismo que decimos para hacer operaciones lo podemos decir al hablar de la capacidad de un ordenador cuántico para almacenar y manejar información.

Si alguien piensa que la dificultad de tener un cúbit es la de aislar un átomo está equivocado. Aislar un átomo es algo ya superado. El problema es colocarlo y mantenerlo en un punto dado, porque para ello hace falta hacer un vacío a su alrededor y sujetarlo levitando con campos magnéticos, lo que supone una parafernalia importante. Además, el principio de superposición exige que nada pueda perturbarlo, pues si eso sucede el átomo se manifiesta en uno de sus estados posibles y el sistema colapsa. Por ese motivo el átomo tiene que permanecer completamente aislado y sin nada que lo perturbe, lo que supone que cada átomo de un sistema de computación cuántica requiera a su alrededor de un espacio considerable. Esta es una de las razones de que solo se hayan construido ordenadores cuánticos con catorce o quince cúbits.

Para que podamos tener ordenadores cuánticos de forma generalizada faltan todavía quince o veinte años. Actualmente hay por ahí diez o doce funcionando en estado de demostración y trabajan en ello IBM, Google, algunos otros y el Estado Chino, que, aunque no se tienen datos, se cree que está dedicando a este tema mucho más dinero que todos los demás. La idea de utilizar átomos ionizados para materializar los cúbits es de un físico español llamado Juan Ignacio Cirac, que actualmente es director de la División Teórica del Instituto de Óptica Cuántica de la red de laboratorios Max Planck de Alemania. Los vídeos de unas charlas que dio en Madrid, Sevilla y Valencia pueden ser de interés para todos los aficionados a estos temas.

También se pueden hacer cubits utilizando otras partículas como los electrones.

Y para terminar, una buena noticia: La Unión Europea acaba de elegir a España (Octubre de 2022) para albergar un ordenador cuántico que formará parte de una red europea de seis de estos computadores. Se instalará en el Centro Nacional de Supercomputación de Barcelona, donde además se montará también un segundo equipo cuántico comprado por España. Estos ordenadores no desplazarán a los clásicos que ya funcionan allí, pues el futuro no es que el cuántico sustituya al clásico, sino que ambos convivan atendiendo las aplicaciones donde cada uno de ellos es más eficiente.

Fotografía.- Centro de Supercomputación de Barcelona. Como se aprecia en la fotografía está instalado en una antigua iglesia.