¿Dónde están los cubits?

Después de ver las puertas cuánticas podemos admitir que se trata de unos esquemas o circuitos lógicos que se dibujan en un papel y que pueden entenderse más o menos bien según el interés de cada uno. Se nos olvidó decir que como las puertas cuánticas tienen carácter matricial, operando con sus matrices es posible agrupar varias puertas en una sola, a la que le corresponderá la matriz resultante de los cálculos que hayamos hecho. Pero, como solo se trata de circuitos lógicos podemos preguntarnos: ¿Dónde están los cubits? ¿Dónde está la realidad y cómo se maneja?

El computador cuántico no es como un computador clásico que tiene de todo: un teclado para programarlo, manejarlo y darle entrada a los datos, un hardward que hace los cálculos y una unidad de salida en forma de pantalla o impresora. El computador cuántico solo es un hardward. Un hardward que se maneja desde un ordenador clásico. Pero ese hardward al que accedemos desde nuestro ordenador convencional es como un mundo aparte. Si los cubits son microcircuitos superconductores tiene que estar a temperaturas próximas a -273ºC, y si son iones tienen que estar confinados y atrapados por fuertes campos electromagnéticos. Y siempre arropados para protegerlos de cualquier perturbación, pues cualquier pequeña perturbación puede dar lugar a la decoherencia del sistema, que no es otra cosa que la pérdida de la superposicón de los estados cuánticos. Por lo tanto, un computador cuántico no es ningún cuerpo extraño y ya está a nuestro alcance poder hacer uso de alguno de los que hay en el mercado.

Lo mismo que en un ordenador clásico nunca nos hemos preocupado de dónde están los transistores, aquí tampoco debe preocuparnos dónde están los cúbits. Nos basta con saber que para poder manipularlos, llevándolos al estado |0>, |1> o a un estado de superposición a|0>+b|1>, se utilizan rayos laser que actúan directamente sobre ellos en el caso de los iones, y pulsos de frecuencias conocidas que actúan sobre los microcircuitos superconductores. Y mientras los cúbits están en su sitio, nosotros estaremos trabajando desde nuestro teclado de siempre.

El proceso puede ser como sigue: Con las puerta lógicas diseñamos lo que queremos hacer; a partir de ellas desarrollamos la aplicación correspondiente; cargada esta aplicación en nuestro ordenador convencional la manejaremos a través de nuestro teclado; la salidas de esta aplicación serán las instrucciones que gobernarán los láseres o los generadores de frecuencia que actuarán sobre los cúbits. La lectura de los resultados la recibiremos en nuestro ordenador clásico en forma gráfica o numérica.

Pero, aunque todo esto está muy bien, en la práctica lo que haremos será comprar directamente en el mercado las aplicaciones que vayamos necesitando, lo mismo que ahora compramos un programa de contabilidad o de cálculo de estructuras. Luego, empresas como IBM pondrán a nuestra disposición algunas herramientas especiales y, por supuesto, el hardward cuántico que nos va a hacer los cálculos. Incluso sería posible que estemos trabajando con nuestro ordenador clásico, que en un momento determinado acudamos a un computador cuántico para hacer algunos cálculos complejos, como puede ser una factorización, y que seguidamente continuemos trabajando con nuestro ordenador convencional.

Una característica esencial de los computadores cuánticos es la coherencia, gracias a la cual todos los cúbits trabajan en superposición, condición que es tan importante como delicada, pues, como ya hemos mencionado, los sistemas cuánticos son tan sensibles a las perturbaciones que esta coherencia puede perderse en unas fracciones de segundo. ¿Qué ocurre entonces? Pues que el hardward ya no nos vale. ¿Y qué tenemos que hacer? Pues, simplemente, ejecutar nuestro trabajo antes de que esto pase. La pérdida de coherencia es uno de los mayores problemas que presenta la computación cuántica.

Y como esto es ya una realidad podemos incluso hacer algunas cosas desde nuestra casa. Dentro de su librería cuántica IBM ofrece una herramienta que se llama Qiskit que se programa con facilidad con lenguaje Python. Con esta herramienta podemos dibujar un circuito con algunas puertas, hacer unos cálculos y obtener los resultados. Los cálculos los podemos hacer en un ordenador cuántico de IBM o hacerlos con lo que se llama un computador cuántico simulado. Esta segunda posibilidad es mas fácil de ejecutar que la primera y nos servirá de aprendizaje.

Las instrucciones para hacer todo esto no son nada complicadas. Por ejemplo, si desde qiskit queremos importar la función Quantum circuit, la instrucción sería: ”from qiskit import QuantumCircuit”. Y si queremos poner a cero un cubit para empezar nuestro trabajo, la instrucción sería: ” qc.initialize(initial_state,o)“.

Las salidas pueden ser núméricas o gráficas. Si a la hora de medir un estado final en el que las probabilidades de obtener |0> o |1> son respectivamente del 40% y el 60%, y aún no nos creemos del todo que la superposición sea una realidad, le pediremos al computador cuántico que haga los cálculos mil veces y nos presente los resultados de forma gráfica. El resultado será el de la figura, aunque, probablemente, no con una exactitud plena debido a los ruídos del sistema.

Y todo esto lo podemos hacer desde nuestra casa, con independencia de dónde tenga IBM el ordenador cuántico que estemos utilizando.

Figura de cabecera: Recreación esquemática de un ión confinado por campos magnéticos.