El Gato de Schrödinger un experimento de ordenador cuántico

Por. Dr. Luis Acevedo Mateo

Mucho se habla de la computación cuántica. No solo en círculos especializados, con décadas de estudio, sino también entre curioso amantes de la informática, que por canales de divulgación conocen  como es ‘La Gata de Schrödinger’.

Aquí los vemos por primera vez llevando a la práctica de la informática del conocido experimento, hasta ahora teórico, planteado por el físico austríaco Erwin Schrödinger en 1935.

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El experimento cuántico real: ‘El Gato de Schrödinger’

El experimento que utilizó Schrödinger consiste en meter un gato en una caja cerrada y opaca que además contiene un recipiente cerrado con gas venenoso. Este recipiente está controlado por un dispositivo que hace que se libere el gas si una partícula radioactiva se desintegra en un período de tiempo determinado.

«Cuando pasa ese período, la probabilidad de que el gato esté muerto es del 50% y la de que esté vivo también del 50%. Si no abrimos la caja, según la mecánica cuántica, el gato estará en un estado de superposición de los estados básicos “vivo” y “muerto”. Si la abrimos para “medir” su estado, el gato estará vivo o muerto, pero no en un estado superpuesto. Antes de abrir la caja, solo podemos manejar probabilidades acerca de si el gato estará vivo o muerto».

«Ahora imagina dos gatos, cada uno en su caja, pero conectados a un recipiente con gas venenoso. La probabilidad de que uno de los dos gatos muera si se libera el gas es exactamente del 50%. Separamos las cajas miles de kilómetros. Cuando se abre una de las cajas, los estados superpuestos de ambas se resuelven instantáneamente. Si en una caja vemos un gato muerto, en la otra el gato estará vivo y viceversa. Es decir, tenemos que ambos estados están «entrelazados» aunque las cajas estén a miles de kilómetros».

De esta breve aproximación, pasaremos a un mayor desarrollo de sustento científico del articulo de computación cuántica  y del gato Schrödinger de la prestigiosa divulgadora científica Patricia Bica, periodista de ABC y escritora española.

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Interior de un sistema de computación cuántica
Interior de un sistema de computación cuántica – Google

Computación cuántica: ¿qué hay detrás de la tecnología que esconde al gato de Schrödinger?

El ámbito de la física cuántica copa titulares con términos como ‘supremacía cuántica’ o ‘cúbits’. Pero, ¿Cuánto tiene realmente de tecnología disruptiva y en qué punto se encuentra?

Patricia BioscaPor Patricia Biosca
Decía el famoso físico Richard Feynman: «Si piensa que entiende la mecánica cuántica… entonces usted no comprende la mecánica cuántica». De hecho, aseguraba que ni siquiera él mismo llegaba a vislumbrar del todo claro las leyes del mundo microscópico, donde todo es y no es a la vez. Pero a pesar de que se trata de un campo totalmente alejado de la razón intuitiva, en los últimos años está en boca de todo el mundo: conceptos como computacióncomunicación o incluso ‘supremacía’ seguido de la palabra ‘cuántica’ han despertado un inusitado interés, ocupando titulares de todo el mundo y erigiéndose como una promesa de la llegada de una tecnología disruptiva llamada a cambiar nuestro mundo: podrán realizar tareas que a los ordenadores clásicos les costaría resolver en millones de años en tan solo unos días, minutos o segundos, lo que en el mundo del Big Data, de la inteligencia artificial y de las máquinas capaces de aprender solas (el llamado ‘machine learning’) sería un salto increíble. Crear nuevos fármacos personalizados o predecir los movimientos de los mercados financieros y optimizar las inversiones serían posibles con estos equipos. Pero también tiene inconvenientes: algunas voces alertan de que, por ejemplo, toda la ciberseguridad actual está ya amenazada por su imparable desarrollo. Entonces, ¿qué hay realmente detrás de ella? ¿En qué punto nos encontramos? ¿Estamos ante una revolución inminente o quizá detrás hay una emoción exagerada?La principal diferencia entre un ordenador cuántico y uno clásico es su sistema de comunicación, la base para transmitir información. Nuestros ordenadores se comunican entre ellos a través de ‘bits’, el lenguaje binario que, por complejos cálculos matemáticos, convierte la información en unos y ceros. Sin embargo, en computación cuántica, los sistemas ‘hablan’ en ‘cúbits’, que pueden ser 1 y 0 a la vez (por el mismo principio que rige al famoso gato Schrodinger, vivo y muerto al mismo tiempo), lo que multiplica exponencialmente el rendimiento de esta tecnología. Y no solo eso: entre los cúbits se produce un fenómeno, llamado entrelazamiento cuántico, por el que los cúbits son capaces de ‘comunicarse’ entre sí a distancias enormes sin que exista nada, ningún canal de transmisión, lo que amplía aún más sus posibilidades. Sin embargo, aún no tenemos el ‘hardware’ o las máquinas que puedan aprovechar de forma eficiente estas cualidades

Una tecnología muy frágil y con errores

Proyecto ENIAC, uno de los primeros ordenadores clásicos que podía llevar a cabo varias funciones y ser reprogramado
Proyecto ENIAC, uno de los primeros ordenadores clásicos que podía llevar a cabo varias funciones y ser reprogramado – U.S. Army Photo

«A mucha gente le gusta poner la fotografía del ENIAC, ese superordenador de los años cuarenta que ocupaba una habitación», dice Juan José García Ripoll, investigador dentro del grupo de Información cuántica y fundamentos de teoría cuántica del IFF-CSIC. «A mí me parece que esa foto es un paso más avanzado de donde aún nos encontramos en computación cuántica. Estamos aún aprendiendo a hacer sumas». García Ripoll explica que la computación cuántica tiene dos frentes abiertos: por un lado, hay que seguir investigando en ciencia básica o algoritmos, que son algo así como los programas que puede ejecutar un ordenador cuántico; y, por otro, la tecnología, ya que ahora mismo mantener un cúbit apenas unos segundos requiere de una infraestructura casi prohibitiva: se utilizan circuitos superconductores muy sensibles que tienen que sostener temperaturas increíblemente bajas, rondando los -272ºC, para que la disipación de energía no degrade la información cuántica. O deben estar sometidos a muy bajas presiones y, a la vez, aislados del campo magnético terrestre. Si no se mantienen estos requisitos, se produce una falta de coherencia o decoherencia cuántica y se corrompen todas las operaciones. Es decir, el ordenador cuántico no funciona.

 

«Es cierto que estamos en pañales, empezando a entrar en el campo de la ingeniería», explica Sergio Boixo, jefe científico de teoría de la computación cuántica de Google. «Pero estar en pañales no significa que no vayamos a avanzar rápidamente. En diez años habrá aplicaciones industriales. Y diez años no es tanto tiempo». Con las ideas de este ingeniero y matemático leonés nació la parte teórica de uno de los hitos más importantes (y mediáticos) del campo en los últimos años: la supremacía cuántica. A pesar de su nombre, se trata de la demostración práctica de que un ordenador cuántico puede llevar a cabo una tarea que no podría resolver el mejor superordenador clásico, o le costaría un tiempo tan amplio que no valdría la pena resolverlo con este sistema. Para ello, el gigante tecnológico con sede en Mountain View (California) creó un problema específico para la demostración: generar patrones en una serie de números aleatorios siguiendo una fórmula predeterminada. Según explicaban en el estudio publicado por la revista ‘ Nature’ en octubre de 2019, el equipo cuántico tardaba apenas 200 segundos frente a los 10.000 años empleados por el superordenador más potente de la época -si bien esta afirmación no estuvo exenta de polémica-.

Ahora Google, con Boixo de nuevo a la cabeza, se afana por alcanzar un nuevo hito: conseguir un cúbit lógico y reducir errores, lo que todos los expertos señalan como el siguiente escalón en la conquista de la computación cuántica. «Hasta ahora trabajamos con cúbits físicos en circuitos superconductores. El problema es que tienen errores. Para solucionarlo, y aunque suene contradictorio, hay que juntar muchos cúbits físicos para que la redundancia provoque que la corrección de errores sea más eficiente que los propios errores que añades», explica Boixo. Es decir, que al añadir cúbits físicos disminuyen los errores del cúbit lógico. «Y esto no se ha demostrado todavía», señala, explicando que de los dos tipos de errores que tiene el cúbit -que provocan que su ‘vida’ sea muy corta y apenas logre sobrevivir unos microsegundos- ya han podido resolver por separado cada uno de ellos y están «cerca» de lograr la fórmula para corregir ambos a la vez.

Una vez logrado este paso, lo siguiente será seguir introduciendo cúbits físicos hasta conseguir un cúbit lógico sin errores. «Eso significará que el prototipo podrá realizar operaciones primero durante días, luego semanas, después meses… Y así hasta que construyamos un prototipo que dure encendido el tiempo que queramos, hasta que directamente demos al interruptor para apagar la luz». La idea es conseguir un ordenador cuántico de unos 1.000 o 2.000 cúbits lógicos; es decir, uno o dos millones de cúbits físicos. «En esta última fase tardaremos unos diez años, aunque es difícil decirlo». Como dato: el experimento de Google tenía 53 cúbits físicos.

Ecosistema cuántico

«Si desarrollas el concepto sin involucrar a la sociedad, cuando se lo muestres, la gente no va a saber utilizarlo»

IBM, principal competidor de Google en este área, tampoco quiere quedarse fuera de la carrera cuántica. Después de ser muy críticos con el logro de Google por la supremacía cuántica -afirmaban que su superordenador ‘Summit’ podía hacer lo mismo en dos días y medio-, desde la compañía aseguran que sus objetivos no pasan por ahí, sino por construir una computadora cuántica de 1.000 cúbits en dos años. «Una vez consigamos eso, se abren muchas posibilidades», comenta Antonio Córcoles, investigador del equipo cuántico de IBM Research en Yorktown Heights.

De forma paralela, su intención es crear un ‘ecosistema cuántico’ en el que se haga partícipe de todos los adelantos en el tema a quien le pueda interesar: desde organismos científicos a empresas. «La idea es crear una comunidad de investigadores, educadores, ingenieros y empresas que puedan trabajar en un entorno donde el acceso a estas máquinas es posible y donde puedan aprender qué tipo de problemas pueden reflejar en nuestras máquinas y qué tipo de resultados pueden obtener según vamos todos avanzando». Es decir, que exista una aplicación práctica. «Si desarrollas el concepto sin involucrar a la sociedad, cuando se lo muestres, la gente no va a saber utilizarlo», señala Córcoles.

¿Revolución o fiasco?

Porque el quid de la cuestión está ahí: ¿va a ser realmente la computación cuántica una revolución? Para José Ignacio Latorre, catedrático de Física teórica, actual director del Centro de Tecnologías Cuánticas de Singapur, y una figura de referencia a nivel mundial en la materia, la respuesta es un rotundo sí. Y, de hecho, ya está aquí. «Estamos controlando la materia a nivel de electrones individuales, de fotones individuales, de iones individuales… y podemos codificar información en estos elementos tan básicos de la naturaleza y además los operamos con lógica cuántica, lo que ha abierto un universo de oportunidades y con cierto salto disruptivo de tecnología. Si logramos hacer más grande un ordenador cuántico y aplicar uno de los algoritmos que ya tenemos a nuestra disposición, concretamente el algoritmo de shor, eso pondría en jaque toda la ciberseguridad actual».

Sin embargo, Latorre critica que todo esto haya creado un caldo de cultivo para que desde gobiernos a universidades, pasando por empresas, intenten justificar las potentes inversiones en el campo y se anuncien a bombo y platillo algunos titulares que no se corresponden con la realidad. «Eso ha dado lugar a algo que no pasaba en ciencia: que se contratan servicios de marketing. Y a muchos científicos nos duele profundamente porque vemos que pequeños trabajos, que son marginales, aparecen en las noticias», afirma. Y el problema de todo ese ‘bombo publicitario’ (o fenómeno conocido como ‘hype’) es que se vuelva en contra de los propios científicos: «La inyección de dinero nos puede dar una bofetada porque si dentro de un tiempo no se han cumplido las promesas, el mundo se desencanta, los gobiernos se desencantan y las empresas también».

Protesta en Nature por la racista "supremacía cuántica"
Sycamore, el ordenador cuántico de 53 cúbits que Google asegura que ha alcanzado la supremacía cuántica. | Eric Lucero/Google

 

Para García Ripoll, el boom de lo cuántico no es el primero que ha presenciado. «He vivido tres o cuatro revoluciones de estas: superconductividad, ordenadores ópticos, inteligencia artificial y ahora la computación cuántica. Siguen la curva de entusiasmo de Gartner en la que se dan varias fases, con picos de expectativas sobredimensionadas seguidos de la desilusión al no cumplirse las expectativas generadas. Pero también provoca que se cree un entorno más competitivo que lucha por la inversión, en el que, aunque creo que los investigadores son muy rigurosos, sí puede haber cierto ‘ruido’ puntual. Pero la parte buena de ese hype es que esté llamando a mucho talento y que, al mismo tiempo, se propicie una carrera muy sana entre la computación cuántica y la clásica. Y eso es algo fantástico».

Moda pasajera o no, de momento, la física cuántica parece estar, como su propia naturaleza, en dos sitios a la vez: en el mundo subatómico y en los titulares de toda la prensa. Aunque aún no podamos controlarla del todo con nuestras máquinas.

Fuente: ABC Ciencia

Vídeos de apoyo científico:

Un ordenador cuántico decide el destino de la Gata de Schrödinger. Fuente: Derivando

Computación Cuántica: para qué sirve y cómo podría cambiar el mundo.Fuente: Platzi

20 Comentarios

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  1. Actualmente el uso de la computación cuántica es limitado, por los pocos avances que hay actualmente en este sector, sin embargo los pocos usos que hay son muy útiles y muy potentes y eficaces, es muy importante que se siga desarrollando esta tecnología ya que los equipos de computo actuales ya están llegando a un punto en donde ya no se puede mejorar más y se quedarán estancados en unos años más.

  2. Excelente artículo, increíble saber que existe algo mas potente que los servidores actuales, y que hoy en día se estén priorizando a perfeccionar esta tecnología cuántica. Como menciona el articulo, el desarrollo ayudaría a manejar fácilmente diversos problemas con respecto a la eficiencia en distintos ordenadores, pero de que sirve que poder utilizar dicha tecnología cuántica si la sociedad no sabrá utilizarlo, es por eso que algunos científicos buscan enseñar a la nueva generación paso a paso de como es el proceso, lo cual ayudaría mucho al planteamiento de dicha tecnología en nuestras vidas.

  3. Buen articulo las computadoras cuánticas podrían potenciar el aprendizaje automático al permitir que los programas de inteligencia artificial busquen en estos mosntruosos conjuntos de datos elementos relacionados con la investigación médica, el comportamiento de los consumidores y los mercados financieros, y les den sentido. Incluso que encuentren una lógica que la mente humana no ha sido capaz de encontrar.

  4. En los últimos años, algunas grandes empresas de tecnología como IBM, Microsoft, Google están trabajando en relativo silencio sobre algo que suena muy bien: la computación cuántica. El principal problema de esto, al menos para nosotros, es que es complicado saber que es exactamente y para que puede ser útil. Hay algunas preguntas que se pueden resolver fácilmente. Por ejemplo, la computación cuántica no va a servir de momento para que tengas más FPS en tu tarjeta gráfica. Tampoco será todo tan fácil como cambiar la CPU de tu ordenador por una cuántica para que se vuelva hiper-rapido. La computación cuántica es fundamentalmente distinta a la computación a la que estamos acostumbrados.

  5. Buena analogía, el gato de Schrödinger, nos explica de manera sencilla, el tema de la probabilidad de hallar o no el resultado esperado ante una incertidumbre ya que es imposible conocer lo que esta sucediendo en el momento. Ahora, lo que respecta a la computación cuántica, es un paso que permitirá ejecutar muchas aplicaciones que beneficiaran a muchas personas. ahora el reto yace en poder descifrar los cubit adecuados para eliminar los errores y que estos perduren en el tiempo que los científicos desean.

  6. Artículo muy interesante difícil de entender pero no imposible. Conocer estos conceptos como computación, comunicación o incluso ‘supremacía’ seguido de la palabra ‘cuántica’ han despertado un inusitado interés, ocupando titulares de todo el mundo y erigiéndose como una promesa de la llegada de una tecnología disruptiva llamada a cambiar nuestro mundo: podrán realizar tareas que a los ordenadores clásicos les costaría resolver en millones de años en tan solo unos días, minutos o segundos, lo que en el mundo del Big Data, de la inteligencia artificial y de las máquinas capaces de aprender solas (el llamado ‘machine learning’) sería un salto increíble.

  7. Increible el avance de la informática qu nos desplaza vertiginosamente. Estamos aún aprendiendo a hacer sumas». García Ripoll explica que la computación cuántica tiene dos frentes abiertos: por un lado, hay que seguir investigando en ciencia básica o algoritmos, que son algo así como los programas que puede ejecutar un ordenador cuántico; y, por otro, la tecnología, ya que ahora mismo mantener un cúbit apenas unos segundos requiere de una infraestructura casi prohibitiva: se utilizan circuitos superconductores muy sensibles que tienen que sostener temperaturas increíblemente bajas, rondando los -272ºC, para que la disipación de energía no degrade la información cuántica

  8. La conocida paradoja presenta la idea de un gato en una caja que puede estar simultáneamente vivo y muertoEl escenario fue diseñado para ilustrar algunos de los principios del extraño mundo de la física cuántica. Es un ejemplo de la superposición cuánticas donde las partículas pueden estar en dos estados distintos al mismo tiempo. Ahora, un equipo de científicos estadounidenses y franceses demostraron que el gato puede estar en dos lugares separados al mismo tiempo.
    Al construir su gato a partir de fotones microondas coherentes, el estado del «gato electromagnético» pudo haber sido compartido por dos cajas separadas.
    «Más allá de lo absurdo del sentido común en el mundo clásico, la capacidad de compartir estados cuánticos en diferentes lugares podría ser un poderoso recurso para el procesamiento de información cuántica», explicaron los expertos en la revista .

  9. Muy interesante los señalado en el artículo. Resalto que una promesa de la llegada de una tecnología disruptiva llamada a cambiar nuestro mundo: podrán realizar tareas que a los ordenadores clásicos les costaría resolver en millones de años en tan solo unos días, minutos o segundos, lo que en el mundo del Big Data, de la inteligencia artificial y de las máquinas capaces de aprender solas (el llamado ‘machine learning’) sería un salto increíble.

  10. Decía el famoso físico Richard Feynman: «Si piensa que entiende la mecánica cuántica… entonces usted no comprende la mecánica cuántica». De hecho, aseguraba que ni siquiera él mismo llegaba a vislumbrar del todo claro las leyes del mundo microscópico, donde todo es y no es a la vez. Con esta frase introductoria y motivadora fui agrrando gusto con el artículo, muy bueno.