Las computadoras que usamos todos los días procesan información en bits, que valen cero o uno. La computación cuántica propone usar las reglas de la mecánica cuántica para tratar la información de otra manera. No es una versión más rápida de lo mismo, sino un paradigma distinto, útil para ciertos tipos de problemas.
La unidad básica es el qubit. A diferencia de un bit, puede encontrarse en una superposición de cero y uno, con cierta amplitud para cada estado. Se puede implementar con circuitos superconductores, iones atrapados, fotones, átomos neutros u otras tecnologías. Al medirlo, siempre se obtiene cero o uno, pero antes de medir, la computadora puede manipular las amplitudes con compuertas cuánticas.
Con varios qubits entrelazados, el estado conjunto describe muchas combinaciones a la vez. El truco de los algoritmos cuánticos no es probarlas todas y quedarse con la mejor, como a veces se dice, sino organizar la interferencia para que las amplitudes de las respuestas incorrectas se cancelen y las de las correctas se refuercen. Diseñar algoritmos que logren esto es muy difícil.
Se espera una ventaja en simular moléculas y materiales, con aplicaciones en química, medicamentos y baterías, porque la naturaleza misma es cuántica. También en ciertos problemas de optimización y de búsqueda, y en la factorización de números enormes mediante el algoritmo de Shor, lo que amenazaría los sistemas actuales de cifrado y ha impulsado el desarrollo de la criptografía poscuántica.
Los qubits son extremadamente frágiles. Cualquier perturbación del entorno, como el calor o las vibraciones, destruye su estado, un fenómeno llamado decoherencia. Por eso muchos procesadores operan a temperaturas cercanas al cero absoluto. Las compuertas además cometen errores, y los dispositivos actuales, llamados de escala intermedia y con ruido, tienen decenas o cientos de qubits que aún no son suficientemente confiables.
La solución a largo plazo es la corrección cuántica de errores, que codifica un qubit lógico fiable en muchos qubits físicos y detecta fallos sin medir directamente la información. Requiere una cantidad grande de qubits físicos por cada qubit lógico, y se considera el principal desafío de ingeniería del campo.
Una computadora cuántica no reemplazará a tu laptop ni acelerará tus videojuegos. Será un acelerador especializado, probablemente accesible por la nube, que se usará junto con computadoras clásicas. Conviene desconfiar de las promesas de beneficios inmediatos y distinguir entre demostraciones de laboratorio y aplicaciones prácticas.
Para visualizar un qubit se usa la esfera de Bloch: un punto sobre una esfera cuyos polos representan cero y uno. Cualquier otro punto de la superficie es una superposición con una fase determinada. Las compuertas cuánticas son rotaciones de esa esfera, y la medición proyecta el punto hacia uno de los polos con una probabilidad que depende de su altura.
Varias empresas ofrecen acceso a procesadores cuánticos por la nube, y existen simuladores y bibliotecas de programación gratuitas para aprender. Con unas pocas líneas de código se puede crear un circuito de dos qubits entrelazados y observar los resultados, una excelente forma de experimentar sin necesidad de un laboratorio.
La computación cuántica avanza con rapidez, pero aún está en una etapa temprana. Seguirla de cerca es ver cómo una teoría de hace un siglo se convierte, poco a poco, en una nueva herramienta tecnológica.