COMPUTACIÓN CUÁNTICA (Segunda Parte)
En el artículo pasado hicimos un esbozo de los fenómenos cuánticos y del porque necesitan ser estudiados por una rama de la Física desarrollada especialmente para explicarlos.
También mencionamos las posibles aplicaciones de esta rama de la ciencia en el campo de la computación, y por que en cierta medida, esta aplicación parecería ser inevitable al reducirse cada vez más el tamaño de los componentes del hardware.
En este artículo mencionaremos un poco más a detalle las posibilidades de la computación cuántica, empezando por explicar un concepto fundamental: La Interferencia Cuántica
1.- ¿Qué significa esto?
Ya mencionamos que el movimiento de las partículas subatómicas como el electrón, no puede ser representado mediante una trayectoria nítida como la que seguiría un objeto al que estamos acostumbrados en nuestra experiencia diaria (por ejemplo, un proyectil, un satélite, etc.), sino que la mecánica cuántica se ve obligada a representarlo como una onda que se propaga: como si el electrón pudiera estar en varias partes a la vez.
Una de las características de las ondas es su capacidad de interferencia, como cuando arrojamos una piedra cerca del muro de una alberca y las ondas circulares generadas se reflejan en parte en dicho muro y se encuentran con las ondas que apenas van en camino, reforzándolas o cancelándolas según la distancia a la que se efectúe el encuentro. De la misma manera, una partícula subatómica considerada como onda, experimenta interferencia no sólo con otras partículas, sino ¡consigo misma!.
2.- ¿A que se refieren con interferencia consigo misma?
Supongamos que pudiéramos aislar una partícula de luz (llamada fotón), y que la pudiéramos lanzar en repetidas ocasiones hacia uno de esos espejos que reflejan parcialmente la luz y el resto la dejan pasar. Encontraríamos, mediante el uso de algún tipo de detector colocado al final de cada camino posible, que el 50% de las veces aproximadamente el fotón es reflejado y el 50% atraviesa el espejo.
Sustituyamos ahora los detectores por espejos 100% reflejantes que reflejen al fotón hacia un segundo espejo semirreflejante y repitamos nuestras mediciones: esperaríamos encontrar nuevamente, que en este segundo espejo el fotón sigue un camino el 50% de las veces; después de todo, el fotón no se parte en dos y lo único que hemos hecho es alargar un poco el camino............... ¡pero no!: observamos que el fotón se obstina en activar uno solo de los detectores.
Interrumpamos ahora uno de los posibles caminos del fotón, sustituyendo unos de los espejos 100% reflejantes por un mecanismo que "absorba" al fotón y volvamos a medir: ¡los dos detectores vuelven a ser activados intermitentemente!.
Este comportamiento no puede ser explicado mediante leyes de la mecánica clásica aplicadas a una partícula, ya que es el comportamiento que seguiría una onda cuya interferencia consigo misma (cancelación-reforzamiento) explicaría perfectamente el resultado de nuestro experimento. En este sentido, aunque el fotón considerado como partícula haya seguido un camino en particular (evidenciado por el detector que se activa), lo que ocurra en el camino que no siguió (en nuestro caso su interrupción o su apertura) afecta la manera en como se comporta: en cierto sentido, el electrón no siguió uno u otro de los caminos sino ¡los dos al mismo tiempo!
3.- ¿Que aplicación podría tener este misterioso comportamiento?
Recordemos que en una computadora el elemento de información más elemental es un bit, que puede tomar uno de dos valores o estados: cero (0) ó uno (1). Así pues, para almacenar información y realizar operaciones sobre ella se requiere de algún dispositivo que pueda adoptar dos estados; cada uno identificándose con uno de los valores del bit (dispositivos binarios). Así por ejemplo, un condensador puede estar cargado (valor 1) o descargado (valor cero), un switch puede estar en modo apagado o encendido, etc. Sin embargo, cualquiera de estos dispositivos solo puede adoptar un valor a la vez, es decir, o cero o uno.
En el caso del todavía hipotético computador cuántico, la situación es totalmente diferente; los dispositivos físicos que se utilizarían para procesar la información serían partículas individuales: átomos, moléculas de tamaño atómico, fotones, etc. Todas estas partículas también tienen la propiedad de contar con al menos dos estados que pueden identificarse con los valores de un bit. Así por ejemplo, en el caso del átomo se podrían utilizar dos de sus niveles energéticos; en el caso de los fotones de luz se podría utilizar su polarización, etc.
Sin embargo, así como el electrón de nuestro ejemplo anterior puede considerarse como que sigue dos caminos a la vez, también cualquiera de las partículas que exhiben fenómenos cuánticos, puede estar en dos estados a la vez. En este sentido, un dispositivo cuántico no contiene un cero o un uno sino ¡los dos a la vez.!. Este fenómeno se conoce como superposición cuántica (los dos estados posibles se hallan superpuestos en el dispositivo).
4.- ¿De que serviría tener los dos valores de un bit superpuestos ?.
Antes de responder a esta pregunta, llevemos más adelante nuestra reflexión sobre las superposiciones. Supongamos que queremos ahora representar valores mediante el uso de cuatro dispositivos binarios; en este caso es posible tener 16 combinaciones de bits: 0000, 0001, 0011, 0101, etc., una computadora "clásica" únicamente podría representar una de estas combinaciones a la vez, pero el computador cuántico podría manejarlas en forma simultánea. Si en lugar de utilizar 4 dispositivos utilizamos 6, entonces el número de combinaciones aumenta a 64 y en general se tendrían 2^L combinaciones posibles utilizando L dispositivos (2^L significa elevar 2 a la potencia L, donde L es el número de dispositivos binarios).
Lo anterior significa que los dispositivos binarios de una computadora cuántica (llamados qubits), permitirían en principio que se efectuaran operaciones en forma simultánea sobre todos sus valores posibles. Por el contrario, una computadora actual necesitaría repetir 2^L veces la misma operación o utilizar 2^L procesadores en paralelo.
5.- ¿Qué cosas podrían hacerse con un computador cuántico?
Evidentemente si fuera posible encontrar algoritmos y hardware que exploten eficientemente la superposición del qubit, podrían obtenerse ahorros exponenciales en el tiempo de procesamiento. Un ejemplo de esto es la factorización de números grandes (encontrar números que al multiplicarse arrojen el número del cual son factores), en donde las computadoras actuales ven incrementado su tiempo de procesamiento en forma exponencial según aumente el número de dígitos de la cantidad a factorizar.
De hecho, los algoritmos actuales para codificar y enviar en forma encriptada información a través de Internet, basan su seguridad en la imposibilidad de las computadoras actuales de encontrar en un tiempo razonable, los factores de un determinado número. El computador cuántico haría obsoletos dichos mecanismos de encriptación.
6.- ¿Existen otras aplicaciones?
Por supuesto. Mencionaremos sólo dos:
a) Encriptación: Si bien el computador cuántico haría obsoletos los mecanismos actuales, también provee una solución alternativa basada no tanto en las matemáticas, sino en las leyes de la física por lo que esta solución podría ser prácticamente imposible de violar por los amantes de lo ajeno.
b) Teleportación: Se refiere a comunicar el estado físico de un objeto a otro objeto ubicado en otra parte.
