Los ordenadores cuánticos
Los primeros ordenadores se hicieron con ruedas dentadas, hace varios siglos. Tras la Segunda Guerra Mundial, se hicieron con válvulas de radio. Poco después se empezaron a usar diodos y transistores, eligiendo para ambos las diferencias de conductividad eléctrica entre los niveles energéticos de valencia y de conducción en los semiconductores dopados. El cálculo se restringió, voluntariamente a bits binarios, o y 1.
La razón es muy sencilla: La aritmética binaria es sencilla, segura y reproducible. Y lenta.
La única forma de acelerarla es el cálculo paralelo: muchos ordenadores haciendo cálculos simultáneos que luego se suman para avanzar en el tiempo. En 1982 al genio de la física cuántica, Richard Feynman se le ocurrió que el cálculo paralelo se podía hacer dentro de los chips utilizando la idea de que los sistemas cuánticos se pueden acoplar a nivel electrónico, mediante una suma de dos o más amplitudes de onda. La probabilidad de la medida final es el cuadrado de esa suma, que contiene un término de interacción, que puede ser negativo, cero o positivo y que modifica la mera suma de dos probabilidades.
En la mecánica cuántica, como en la clásica (no hay nada especial en la primera) los «estados cuánticos» misteriosos son vectores de módulo unidad que pueden expresarse en una base [x,y], o si nos apetece [0 (eje x), 1 (eje y)]. Los ordenadores clásicos utilizan solo la base, bien separada por un ángulo de 90º. En los cuánticos se pueden usar dos vectores distintos en la misma base separados por ángulos arbitrarios. Si codificamos la información mediante los ángulos (la «fase» en cuántica), tenemos muchas (no infinitas) más posibilidades de codificación. Un «qubit» es un vector de estos, de módulo 1.
Ahora podemos hacer crecer el espacio base: Primero a 3 dimensiones, y como las matemáticas no tienen límite, a 4, 8, 16, … . 2n dimensiones. En los chips fabricados para los ordenadores cuánticos, se pueden tener vectores unitarios en dimensiones altas (digamos 8, hoy) que no pueden expresarse como producto de vectores en los espacios de menor dimensión.
Por ejemplo el vector [1,0,0,1] ≠ [a,b]⊗[c,d], no existen 2 vectores cualesquiera [a,b], [c,d] bidimensionales cuyo producto sea [1,0,0,1].
En el lenguaje místico del cálculo cuántico, se habla de «compuertas cuánticas» que no son más que matrices de rotación de los qubits, de los vectores unitarios.
Todo esto es esencialmente álgebra.
Pero los ordenadores, cuánticos o clásicos tienen que ser fabricados mediante materiales físicos. Y a nivel atómico, la naturaleza es aleatoria, por la interacción continua y no eliminable de unos elementos sobre otros.
Si utilizamos como vectores para codificar la información las bases |0> y |1>, podemos tolerar errores en cada base del , digamos, 10%, los resultados no se ven afectados porque el sistema vuelve a |0> y a |1>.
Pero si usamos vectores de ángulo variable, y tienen un error del 10%, ¿qué hacemos? ¿a donde hacemos volver el vector?
Aquí está el gran problema del cálculo cuántico. Si se desarrollan finalmente, serán máquinas totalmente dedicadas a tareas especificas que sean inmunes frente a errores, y por tanto lentas, de manera que toda la ventaja de la rapidez del cálculo paralelo se diluye en la corrección de errores. El mejor ejemplo para el cálculo cuántico es la criptografía: Si un cálculo cuántico nos dice que un número de 30 cifras se descompone en dos números primos, basta con multiplicar estos para ver si la descomposición es correcta. Esto es rápido, pero hay otras tareas muchísimos más lentas.
Las respuestas de los ordenadores cuánticos son y serán siempre probabilísticas. Si suman 2+3 el resultado será 5 con una probabilidad del 99.9%, y a veces producirán 4.98, o 5.01. Si controlasen una máquina en la cual un error de una centésima provocase un problema como el del apagón de 2025, serían inutilizables.
Si se desarrollan realmente (¿2050?) servirán para criptografía, para el diseño de moléculas muy grandes, y tareas similares. La corrección de errores en el caso del diseño de moléculas solo es posible fabricando esas moléculas y probándolas, una tarea mucho más larga que el propio diseño.
Aparte de que exigen grandes instalaciones de refrigeración para limitar el ruido térmico, un ordenador cuántico no podrá nunca controlar un misil lanzado desde un caza a 2200 km/ contra otro a 2300 km/h, no puede reaccionar casi instantáneamente a nada.
El problema de la aleatoriedad se entiende fácilmente: A nivel atómico, no existe radiación electromagnética (EM) cuyo tamaño sea igual o menor que un átomo y cuya energía sea mucho, mucho menor que la de los niveles electrónicos. Una onda EM de muy baja energía es tan grande (300 metros) que no impacta directamente sobre los átomos. Si es del tamaño atómico para que impacte sobre los electrones, su energía es comparable a las de éstos. y cualquier interacción los mueve, cambia sus niveles.
Imaginémonos una carretera llena de coches que interaccionen entre ellos mediante láseres de 2.78 kWh, la energia cinética media de los coches. El caos estaría garantizado. Láseres de 3 kWh se usan para cortar y soldar metales. La naturaleza macroscópica se comporta como la conocemos, salvo guerras, terremotos, explosiones volcánicas y DANAs, porque las energías de interacción a nivel «humano» son muy, muy pequeñas. A nivel atómico los entes de ese nivel viven unas vidas caóticas o aleatorias, salvo muy cerca de 0K, el cero absoluto.