Thread by @albaclierta

Lo prometido es deuda: hilo sobre Computación Cuántica! 🖥️⚛️👇

En los últimos años, se está generando un cierto “hype” a propósito de las tecnologías cuánticas.

Sí, no solo existe la computación cuántica. También hay la comunicación cuántica, la metrología cuántica, la simulación cuántica, los sensores cuánticos, la – ponga aquí el campo de la ciencia que quiera – cuántica,…

Bromas aparte, el mundo de las tecnologías cuánticas está de moda. Pero, ¿de dónde ha salido todo esto? ¿Por qué ahora? ¿Qué tiene de particular la computación cuántica para que todos hablen de ella? Empecemos con un poquito de historia…

La mecánica cuántica nació en 1900 de la mano del físico Max Planck. Por aquél entonces, a los físicos se les quedaban cortas las teorías físicas que habían desarrollado en los últimos años. Había una serie de fenómenos q no podían explicar con la (ahora llamada) física clásica.

Uno de estos fenómenos era la radiación del cuerpo negro, que @JaSantaolalla explica tan bien en este vídeo. La energía que emiten los átomos no es un contínuo, sino que esta “cuantizada” en pequeños paquetes, es discreta.

Este nuevo formalismo abrió la puerta a explicar muchos otros fenómenos físicos, descubiertos o todavía por descubrir. Como ejemplo, el efecto fotoeléctrico, explicado por Albert Einstein y que le valió el Premio Nobel.

La mecánica cuántica se extendió rápido entre diferentes ramas de la física. A pesar de las propiedades extrañas y antiintuitivas que planteaba, los experimentos no hacían más que demostrar que era correcta.

En los años 20 se plantearon los postulados de la mecánica cuántica; los cimientos matemáticos sobre los cuales se construyó toda esta teoría física.

Con las matemáticas más claras, la expansión de la cuántica fue más allá de explicar experimentos misteriosos. Podíamos empezar a plantear aplicaciones concretas.

Y así fue como en los años 50 empezaron a aparecer los primeros inventos cuánticos. Éstos se habían podido desarrollar gracias a los conocimientos de la cuántica estudiados en los años anteriores (ejem ciencia básica ejem).

La primera revolución cuántica nos aportó: los transistores, láser, GPS (que también contiene relatividad general 😉), resonancia magnética, radioterapia,…

Muy bien. Hemos observado la naturaleza, aprendido cómo funciona y buscando qué aplicaciones nos ofrece. Next.

En esos mismos años se desarrolla otra nueva ciencia: la computación. Aparecen los primeros ordenadores y, en mi opinión, a los físicos nos gusta más un ordenador que a un tonto un lápiz.

Los ordenadores nos permitieron resolver ecuaciones complejas imposibles de resolver a mano, que a la vez describían modelos físicos que nos inventábamos para explicar las observaciones experimentales o para buscar nueva física.

Muchos de estos modelos trataban de describir el mundo microscópico, el de los átomos y las moléculas, el mundo cuántico: si entendemos cómo funciona, podremos descubrir nuevas propiedades de la materia, nuevos compuestos químicos que nos sirvan para crear nuevos medicamento, etc

Problema: describir correctamente el mundo cuántico es exponencialmente costoso para un ordenador.

Ejemplo: supongamos que tenemos un sistema cuántico de dos niveles. Llamemos -- así a bote pronto, lo primero que se me ocurre – 0 y 1 a estos dos niveles.

Como es un sistema cuántico, puede ser que se encuentre en el nivel 0, en el nivel 1 o en una superposición de los dos, digamos una “mezcla” de 0 y 1.

“Holaaa, qué taaal, te presento al primer fenómeno cuántico que te va hacer explotar la cabeza, la superposición cuántica. ¡Qué lo disfrutes! Salu2”. En este vídeo, @QuantumFracture os lo presenta mejor que yo:

Total, que si queremos simular este sistema con nuestro ordenador, le tenemos que dar 2 números, cada uno de ellos nos da información sobre cuánto hay de 0 y cuánto hay de 1.

Ahora imaginemos que tenemos dos sistemas cuánticos de dos niveles. Uff, esto son muchos caracteres. Llamemos a este sistema cuántico sencillo (pues solo hay 2 niveles), “bit cuántico”, en analogía al bit clásico.

¡Qué narices! Vamos a provocar un poco a la @RAEinforma y a llamarlo en inglés, “quantum bit”, y a abreviarlo porque estamos en twitter: “qubit”.

Tenemos 2 qubits, esto son 4 posibles estados entre los dos: 00, 01, 10 o 11. Osea, 4 números para describirlos con nuestro ordenador. Repito: DOS objetos físicos (qubits) se describen con CUATRO números.

Si tenemos 3 qubits, son 8 posibilidades (8 números para describirlos). ¿Veis hacia donde se encamina esto? Si todavía no lo veis venir, recomiendo que os leáis la leyenda del origen del ajedrez.
es.wikipedia.org/wiki/Leyenda_d…

Resultado: para describir (o simular) pongamos, 50 qubits, necesitamos 2^50 (2 por 2 por 2 … hasta 50 doses) números. No hay ordenador que pueda almacenar tal cantidad de información en un solo vector.

Conclusión: tenemos que hacer aproximaciones o contentarnos con simular sistemas cuánticos de pocas partículas.

Bueno, aquí hay un señor que no estuvo muy de acuerdo con esto: Richard Feynman.

En 1982, Feynman planteó algo así como “si con un ordenador convencional ( no cuántico) tenemos estas limitaciones para simular #cosascuánticas, ¿por qué no construir un ordenador las piezas del cuál sean también cuánticas?”

Con ello, podemos representar cada partícula cuántica con un qubit y simular la interacción entre ellas mediante puertas lógicas cuánticas (en analogía a cómo funciona la computación convencional).

Llegados aquí, espero que haya quedado un poco más claro qué es la computación cuántica. Es el conjunto de operaciones, algoritmos, etc, que usan como unidad mínima de información los qubits y que obedece las leyes de la mecánica cuántica.

Además, acabamos de presentar una primera gran aplicación de este tipo de computación: la simulación de sistemas cuánticos.

Entender cómo funcionan estos sistemas nos permite aprender muchas cosas sobre cómo funciona la naturaleza en sí y, como consecuencia, el desarrollo de aplicaciones para nuestro día a día.

Por ejemplo, entender las propiedades de los compuestos químicos (y poderlos simular) nos permite explorar nuevos medicamentos. O entender cómo se comporta la materia a nivel microscópico nos permite desarrollar materiales que gasten menos energía.

Rebobinemos. La idea de Feynman estaba muy bien, pero implicaba la construcción de ordenadores cuánticos. En 1982. Imposible en esos tiempos. Así que algunos físicos se motivaron mucho y empezaron a desarrollar este campo pero, en general, sobre el papel o en las universidades.

¡Y menos mal! Porque empezaron a aparecer #cosascuánticas más sofisticadas.

Llega 1994 y el físico Peter Shor revoluciona el campo. Resulta que jugueteando con las propiedades de la computación cuántica, desarrolla un algoritmo cuántico capaz de factorizar de forma eficiente.

Factorizar es encontrar que 15 es 3 por 5, que 54 es 2 por 3 por 3 por 3 por 3, … lo que todos hemos aprendido alguna vez en la vida para calcular el mínimo común múltiple y poder sumar fracciones.

Resulta que, además de para eso, la factorización es la operación matemática en la que se basa TODO el sistema de encriptación en el mundo: el sistema RSA. #PíldorasFormativas @La_UPM

Gracias a que multiplicar dos números es fácil (hay una fórmula matemática que nos permite hacerlo sin problema) pero factorizar es difícil (si el número es grande, necesitaras la edad del Universo para calcularlo), todos los códigos de encriptación usan este sistema.

En resumen: no podemos desencriptar con un ordenador convencional (aunque sea un superordenador) pero sí podríamos con un ordenador cuántico. Claves secretas, transacciones bancarias, contraseñas, cualquier cosa cifrada es vulnerable a un ordenador cuántico.

¡No estresarse! Necesitaremos un ordenador cuántico de millones de qubits para ello y todavía estamos lejos de esto. Para entonces, los sistemas de encriptación habrán cambiado. Por otro lado, ¿quién sabe si aparecerá otro algoritmo cuántico que descifre este futuro sistema?

Y aquí es de donde sale otra pata de las tecnologías cuánticas: la comunicación (y criptografía) cuántica. Pero eso para otro día o para otro expertx.

El algoritmo de Shor probó que la computación cuántica se podía usar para muchas otras cosas además de la simulación cuántica. Hoy en día, se están desarrollando algoritmos cuánticos aplicados a resolver problemas matemáticos difíciles y eso tiene variedad de aplicaciones.

Problemas de optimización (¿cuál es una buna solución a un problema de muchas variables y ligamentos?); resolución de sistemas de ecuaciones que se aplican, por ejemplo, a finanzas; problemas de inteligencia artificial, etc.

¿Por qué ahora? ¿Si se sabe desde hace más de 20 años, por qué no tenemos un ordenador cuántico en casa? La respuesta está en la complejidad de construir y controlar un aparato de estas características.

Para construir un ordenador cuántico necesitamos construir los qubits que lo componen y ser capaces de aplicar las puertas lógicas cuánticas que requieren los algoritmos. Esto no es nada fácil.

Digamos que las propiedades cuánticas de los qubits son “sensibles” y se pueden perder a lo largo de la computación. No #cosascuánticas, no party. Si los qubits dejan de ser cuánticos, el algoritmo sale mal.

Se está trabajando con diferentes tecnologías para conseguir hacer estos qubits lo más buenos posibles.

Un ejemplo son los iones atrapados. Es decir, controlar el estado de unos átomos INDIVIDUALMENTE. Osea, “atrapar” átomos. ¿Sabéis lo que es eso? ¿Lo pequeños que son? ¿Tener SOLO UNO o UNOS POCOS y manipularlos a nuestro antojo?

Esto es una locura a nivel experimental. Como ejemplo esta foto de David Nadlinger: el puntito brillante del medio es un solo átomo. Increíble y bello a la vez.

Otra tecnología para construir qubits son los circuitos superconductores. Para que puedan funcionar, hay que enfriar el “chip cuántico” a temperaturas bajísimas. Vamos, que necesitamos un supercongelador.

El nombre técnico es “refrigeradores de dilución” y además de ser auténticas joyas, son capaces de enfriar a -273,13ºC, milésimas por encima del cero absoluto. Para que os hagáis una idea, el Universo esta unos 3 grados por encima de esa cifra.

El punto más frío del Universo está en nuestros laboratorios y lo hemos construido los seres humanos.

Hay un abanico más grande de tecnologías para computación cuántica: fotones, defectos en el diamante, quantum dots, qubits topológicos,… todas ellas entrañan dificultades técnicas enormes.

Por todo ello, se está bautizando esta era de las tecnologías cuánticas como la segunda revolución cuántica. Todos estos aparatos pueden servir para otras cosas además de la computación: para fabricar sensores ultraprecisos por ejemplo.

Para terminar: ¿quién está desarrollando esta tecnología?

Durante muchos años, las universidades básicamente. La computación cuántica formaba parte de la “ciencia básica”, eso que algunxs se preguntan “¿piri qui invirtir in ilgi qui ni sirvi piri nidi?”

A principios de los 2000 la cosa empezó a cambiar. El nivel experimental hacia posible plantearse la construcción de ordenadores cuánticos y aquí muchas empresas se han empezado a volver locas. Sobre todo por el gran abanico de posibilidades que ofrece la computación cuántica.

Os dejo aquí este gráfico que hice con muchas de ellas. ¡Seguramente me dejo alguna! El ecosistema cambia muy rápido.

Y con esto cierro ya este hilo. Espero encontrar un ratito otro día para explicar mejor algunos de los aspectos que he mencionado de forma superficial.

La lección que he aprendido de este campo es: la investigación siempre da sus frutos. Cada persona tiene su cometido en el mundo científico: algunas buscan aplicaciones, otras hacemos ciencia básica.

Todo se complementa y no hay que dejar de invertir en ninguna! Nunca se sabe dónde nos llevará…

Para saber más, os recomiendo que os paséis por los TL y exploréis los vídeos de los divulgadores que he mencionado en este hilo. Y, cómo no, también de @edusadeci. Os dejo su vídeo sobre computación cuántica:

También @MientrasEnFisic , el blog de @spidermanzano , @Cuent_Cuanticos y muchos más! Me gustaría recopilar una lista de divulgadores/as sobre física cuántica. ¡Añadid enlaces en los comentarios!

Fin.