El ordenador más potente del mundo es 100 mil veces más rápido que una PC. Pero incluso ese potente ordenador será una sombra pálida al lado de la increíble capacidad de cómputo del futuro ordenador cuántico. Esta máquina que parece salir de la ciencia ficción será tan asombrosa que incluso lleva a algunos científicos a hablar de universos paralelos.
¿Una tortuga puede estar boca abajo y boca arriba al mismo tiempo? Si la tortuga en cuestión experimentase las leyes de la mecánica cuántica, sí. Pero la tortuga es demasiado grande, lenta y mala para hacer cálculos. Todo lo contrario de los microchips.
Las leyes de la cuántica no están al alcance
de las tortugas. (Fuente: smartplanet)
El poder de la computación aumenta en la medida en que los microchips se hacen cada vez más pequeños. Según los expertos, restan unos diez años de ir haciéndolos cada vez más “micro”. A este ritmo, llegaremos a un límite en el que los chips dejarán de funcionar: el umbral cuántico.
Los componentes informáticos más modernos alcanzan tamaños de unos pocos cientos de nanómetros (un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro). Si se redujeran sus dimensiones a unas decenas de nanómetros, los chips dejarían de funcionar por el surgimiento de fenómenos cuánticos como por ejemplo el efecto túnel.
Volvamos a la tortuga: si la encerramos en una caja, no podrá salir a menos que le abramos una puerta. Recuerda que la tortuga no es cuántica. Pero un electrón sí lo es. Es a la vez una partícula y una onda. Por ello, por más que esté confinado en un espacio, podría aparecer fuera de él sin que hubiese puertas.
El efecto túnel. (Fuente: Universidad de Kyoto)
En su interior, un chip tiene muchísimos canales con puertas que dan paso a impulsos eléctricos o los detienen. Con un tamaño de decenas de nanómetros, los electrones que circulan por el chip experimentarían el efecto túnel y se escaparían a la contención de puertas y canales. Consecuencia: el chip no funciona.
Un impulso eléctrico que pasa por una puerta abierta dentro del chip es un “sí” o un 1 y una puerta cerrada es un “no” o un 0. Es lo que se llama un “bit”, acrónimo de binary unit o binary digit (unidad binaria o dígito binario), la unidad más básica de información posible en la computación. Por lo tanto, un bit sólo puede presentar uno de dos estados posibles: sí o no, 1 ó 0, tortuga patas arriba o tortuga patas abajo.
Es la puerta la que define el estado del bit. Si el impulso pasa, es un 1; si no pasa, es un 0. Pero si estamos hablando de un átomo o de una partícula subatómica, donde interviene la mecánica cuántica con sus leyes surrealistas, el átomo o partícula puede estar en una superposición coherente de los dos estados. Esto significa que el bit es 1 y 0 a la vez, sí y no simultáneamente.
Es lo que se llama el qubit, del inglés quantum bit. Para explicar de manera más sencilla su estado simultáneo de 1 y 0, no hay analogía que valga. Es el tómalo o déjalo.
Súper cálculos
Imagina un conjunto -o registro- de tres bits. Cada bit puede ser un 0 o un 1. Por lo tanto, en cualquier momento dado, ese registro de tres bits sólo puede presentar uno de ocho números posibles.
1 2 3 4 5 6 7 8
| 000 | 001 | 010 | 100 | 110 | 101 | 011 | 111 |
Ahora, imagina que el conjunto está compuesto por tres qubits en lugar de los tres bits clásicos. En un mismo momento, ese registro de tres qubits presenta los ocho números simultáneamente. Es un registro en superposición cuántica.
A medida que agregamos qubits al registro, aumentamos exponencialmente su capacidad de representar números. Por ejemplo: tres qubits pueden representar 8 números a la vez, cuatro qubits pueden representar 16 números a la vez, cinco qubits, 32 números... Un número n de qubits puede representar 2n números simultáneamente. Una vez que el registro está en superposición cuántica, podemos realizar operaciones con todos los números.
Quizá no se note a primera vista el gigantesco poder de cálculo que esto significa porque nuestra mente no está preparada para pensar exponencialmente. Confírmalo leyendo la fábula del Emperador chino y el ajedrez.
Fábula del Emperador chino y el ajedrez “Ante la insistencia del emperador de la China para que un maestro de ajedrez le pidiera el regalo que quisiera como contrapartida de sus lecciones, accedió éste a recibir la cantidad de arroz resultante de poner un grano en la primera casilla, dos en la segunda, cuatro en la tercera, y así sucesivamente. Al emperador le costó salir de su asombro –demasiado tarde-, cuando los cálculos del maestro de ajedrez mostraban que no bastaría todo el arroz de China para cumplir su promesa. El emperador, como la gran mayoría de homínidos, no podía pensar exponencialmente.” (Citado del libro “Cara a cara con la vida, la mente y el Universo” de Eduard Punset.)
La última casilla del tablero tendría 9.223.372.036.854.775.808 granos de arroz. Cifra a la que se llega elevando 2 a la potencia de 63, la cantidad de casilleros del tablero de ajedrez (contando que la primera es la 0).
Un ordenador cuántico puede, en un solo paso, ejecutar la misma operación matemática en 2nn veces o utilizar 2n procesadores que trabajen en paralelo. Imagínate el tiempo gigantesco o la cantidad enorme de ordenadores que se necesitaría para la misma operación que un ordenador cuántico con 63 qubits... ¡Lo mismo que los granos de arroz del emperador chino! números, resultado de tener n qubits en superposición cuántica. Para ejecutar la misma tarea, cualquier ordenador clásico debe repetir la misma operación 2
La última casilla tiene...
¡ 9.223.372.036.854.775.808 granos de arroz!
(Fuente: smartplanet)
El día que llegue
El único problema con el ordenador cuántico es que todavía no existe. Y la mala noticia es que no falta poco para que llegue. El motivo no es sólo porque todavía no tenemos la nanotecnología necesaria sino porque también hace falta progresar bastante en tecnologías de medición ultraprecisas. (Recientemente, el físico David Deutsch afirmó en su blog que el ordenador cuántico sí está cerca.)
Otro de los obstáculos está en poder mantener la superposición cuántica sin que haya la más mínima interacción con el entorno. En el momento en que eso sucede –y sucede muy fácilmente-, el sistema pierde la superposición cuántica. Hoy en día, este estado se puede mantener bajo control durante algunos segundos a temperaturas extremadamente bajas o durante nanosegundos a temperatura ambiente.
En este momento, la computación cuántica está en su infancia. Por eso, no se puede decir que los experimentos realizados hasta ahora sean verdaderos ordenadores cuánticos. Uno de ellos fue, por ejemplo, el realizado en el centro de investigación de IBM en diciembre de 2001 con un protoordenador cuántico de siete qubits que logró realizar una operación matemática.
No se sabe con exactitud qué cambios traerán los ordenadores cuánticos a nuestras vidas aunque sí se estipula que para ello faltan décadas aún. Pero sí se sabe que serán muy útiles para realizar simulaciones muy complejas de todo tipo: climatológicas, de tránsito, para la creación de nuevos materiales y medicinas, para modelos cosmológicos, distribución de fluidos... “Cualquier tipo de pregunta para la que no haya una fórmula para responderla”, según el físico inglés David Deutsch.
Universos múltiples
Los físicos que estudian los fenómenos cuánticos están de acuerdo con que las ecuaciones matemáticas que predicen los resultados de sus experimentos son correctas. Sin embargo, no hay consenso a la hora de interpretar qué es lo que sucede físicamente al producirse esos resultados. De alguna manera, están de acuerdo con el qué pero no con el por qué.
Una de esas interpretaciones fue propuesta por el físico Hugh Everett en 1957. La interpretación “de los universos múltiples” tuvo una aceptación casi nula en sus inicios pero hoy aumenta su popularidad entre los físicos teóricos sin llegar a ser mayoritaria. Dice que nuestro universo no es más que una pequeña rodaja de la realidad que está compuesta por muchísimos otros universos muy semejantes al nuestro. A esa realidad que abarca todos los universos, se la llama “multiverso”.
Por más que no los percibamos, nuestro universo sería
uno de entre muchos. (Fuente: smartplanet)
Según esta interpretación, los objetos (pongamos por caso un electrón) no están confinados en un universo solamente sino que se extienden a través del multiverso. Cada versión de ese objeto puede actuar de una manera diferente en cada universo en el que está presente. A veces, estas versiones del mismo objeto en diferentes universos pueden interactuar dando lugar a fenómenos cuánticos como la superposición.
Según el físico David Deutsch, estos fenómenos son la prueba de la existencia de otros universos. Para Deutsch, una confirmación de esta interpretación sería la misma computación cuántica. Un ordenador cuántico mediano podría ejecutar cálculos de una complejidad gigantesca, mayor complejidad que la del universo visible con todos sus átomos, según el físico inglés. Como todo ello sucede en un ordenador de unos pocos cientos de átomos, esa sería la prueba de que la realidad es muchísimo más compleja de lo que alcanzamos a ver y de que, en la computación cuántica, interactúan varios universos.
El gran matemático David Hilbert (en la imagen) ponía como ejemplo un hotel de infinitas habitaciones y un viajero que llega ve en la puerta el cartel que dice "completo". El conserje dice que el ocupante de la habitación 1 se mude a la 2, el de la 2 a la 3 y así sucesivamente. Así, la habitación 1 queda vacía; todos los ocupantes del hotel tienen, como antes, una habitación, y el hotel seguirá, también como antes, completo.
La teoría clásica que explica los superconductores es la llamada BCS (teoría Bardeen, Cooper y Schrieffer, de 1957). Los electrones, por el principio de exclusión de Pauli, al tener espin 1/2 no pueden estar en el mismo estado energético, pero en los superconductores se produce el siguiente fenómeno: dos electrones se aparejan a través de una vibración de la red, formando los llamados pares de Cooper. Estos pares de Cooper tienen spin entero, es decir, no sufren el principio de exclusión y pueden estar todos en el mismo estado energético. A bajas temperaturas la mayoría de pares se alinean en el estado de mínima energía. Por ello, si se dan las condiciones de acoplamiento y si existe una distancia energética entre los estados de más baja energía y los de más alta (el llamado “gap” energético) se produce el comportamiento superconductor. 
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