Se suele decir que una computadora cuántica puede probar todas las soluciones a la vez. Es una simplificación engañosa. La verdadera potencia de la computación cuántica reside en algoritmos ingeniosos que usan la interferencia para amplificar las respuestas correctas. Dos de los más importantes son los de Shor y Grover.
Una computadora cuántica no es simplemente una versión más rápida de una clásica. Para aprovechar sus propiedades, los problemas deben reformularse de modo que las amplitudes de las respuestas incorrectas se cancelen. Muy pocos algoritmos con ventaja demostrada se conocen, y descubrir nuevos es una tarea difícil.
En 1994, Peter Shor presentó un algoritmo para factorizar números enteros grandes en sus factores primos. En una computadora clásica, el mejor método conocido tarda un tiempo que crece de forma casi exponencial con el tamaño del número. El de Shor lo hace en tiempo polinómico, lo que supone una aceleración dramática para números muy grandes.
Factorizar se reduce a encontrar el periodo de una función matemática. El algoritmo prepara una superposición de muchos valores de entrada, evalúa la función y aplica la transformada cuántica de Fourier, que hace interferir los estados de modo que el periodo aparezca con alta probabilidad al medir. Un posterior cálculo clásico obtiene los factores.
Muchos sistemas de cifrado de clave pública, como RSA, basan su seguridad en que factorizar números enormes es impracticable. Una computadora cuántica suficientemente grande y con corrección de errores los rompería. Hoy no existe una máquina así, pero la posibilidad impulsa la migración hacia algoritmos resistentes a ataques cuánticos.
En 1996, Lov Grover propuso un algoritmo para buscar un elemento en una lista desordenada. En el caso clásico, hay que revisar en promedio la mitad de los elementos. Grover logra encontrarlo en un número de pasos proporcional a la raíz cuadrada del tamaño de la lista, una aceleración cuadrática, útil pero menos espectacular que la de Shor.
El algoritmo inicia en una superposición uniforme de todas las posibilidades y repite una secuencia de operaciones que invierte la fase del elemento buscado y amplifica su amplitud en cada ronda. Tras el número adecuado de repeticiones, medir el sistema da la respuesta con alta probabilidad.
Se investigan algoritmos para simular sistemas cuánticos, útiles en química y materiales, para resolver ciertos sistemas de ecuaciones lineales y para optimización y aprendizaje automático. La ventaja práctica de varias de estas ideas todavía se debate.
El término se refiere a demostrar que una máquina cuántica resuelve una tarea que ninguna computadora clásica puede hacer en un tiempo razonable. Se han anunciado demostraciones con tareas específicas diseñadas para ello, aunque su utilidad práctica es limitada y se discute si los métodos clásicos podrían igualarlas.
Las estimaciones sugieren que romper el cifrado RSA de dos mil cuarenta y ocho bits exigiría millones de qubits físicos con corrección de errores, lejos de los cientos o pocos miles que hoy se logran, aunque poco confiables. Los avances en códigos de corrección y en algoritmos más eficientes reducen esas cifras con el tiempo. Por eso los expertos recomiendan comenzar la transición a la criptografía poscuántica con anticipación, sin alarmismo, pero sin postergarla indefinidamente.
Los algoritmos cuánticos muestran que existe una forma distinta de procesar información. Aunque las máquinas útiles aún están lejos, la teoría ya anticipa cambios importantes en seguridad, ciencia e industria.