Computadoras cuánticas: el jardín de los Q-bits que se bifurcan

¿Qué pasaría si, de un día para otro, una computadora que opere en el multiverso pusiera en jaque a los sistemas informáticos más seguros del mundo? Esta pregunta, que hace apenas unos años parecía propia de la ciencia ficción, hoy circula con fuerza en titulares, redes sociales y foros deep nerdos.

Algunos hitos. En el marco del centenario del desarrollo de la teoría cuántica, la Asamblea General de las Naciones Unidas declaró 2025 como el Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas. Ese mismo año, el Premio Nobel de Física fue otorgado a un grupo de investigadores, por avances decisivos en computación cuántica. Al mismo tiempo, solo en 2025 se invirtieron cerca de 4000 millones de dólares en estas tecnologías, con Estados Unidos, China y la Unión Europea liderando el esfuerzo público y gigantes tecnológicos como Google, IBM, Intel y NVIDIA impulsando la inversión privada.

Frente a este crecimiento exponencial —que se duplica aproximadamente año tras año—, no sorprende que proliferen las teorías conspirativas que anuncian un inminente colapso de los sistemas informáticos cuando los ordenadores cuánticos alcancen una supuesta capacidad crítica. Y vos todavía te estás preguntando qué corno es una computadora cuántica.

Qué es la computación cuántica

La teoría cuántica fue desarrollada a principios del siglo XX y, de hecho, muchos dispositivos que utilizamos en la vida cotidiana se basan en fenómenos de naturaleza cuántica. Sin embargo, ninguno de estos fenómenos es directamente observable por nuestros sentidos.

¿Por qué? La teoría cuántica establece que la materia a escala microscópica (a nivel atómico) se comporta de un modo radicalmente diferente al que estamos acostumbrados en nuestra escala macroscópica, y acá empiezan los problemas: resulta que en el universo micro, una partícula no se mueve describiendo una trayectoria, como ocurre con una bola de billar o un planeta que gira alrededor del sol, sino que puede explorar múltiples trayectorias simultáneamente, siendo su evolución el resultado de un promedio sobre cada trayectoria posible.

En la cultura popular, esta idea está detrás, por ejemplo, del concepto de multiverso (véase el Universo Cinematográfico de Marvel, o la película Everything Everywhere All at Once), donde múltiples líneas temporales pueden interrelacionarse entre sí. Pero si nos vamos aún más atrás, probablemente la primera metáfora de multiverso llegó de parte del propio Jorge Luis Borges, en su cuento El Jardín de los Senderos que se Bifurcan, en el cual se describe un laberinto en el cual todas las realidades posibles ocurren simultáneamente.

Otra analogía bastante utilizada para explicar la física cuántica es la del gato de Schrödinger: si colocamos en una caja un gato y un sistema de alimentación que puede liberar comida o veneno de acuerdo a si una partícula subatómica se desintegra, entonces el comportamiento cuántico de la partícula micro se trasladará a lo macro (el gato). Como resultado, el gato estaría en una superposición de estados: vivo y muerto a la vez.

En este punto surge una de las aparentes paradojas de la física cuántica: si abrimos la caja para observar el estado del gato, vamos a verlo vivo o muerto, una de dos. Es decir, el proceso de medición del sistema por parte de un observador externo altera el estado mixto del gato y lo obliga a decidirse por una de las dos historias posibles. Eso será clave para entender el funcionamiento de las computadoras cuánticas.

To Bit or Not to Bit

Pasemos ahora al funcionamiento del componente básico de la computación cuántica: el Q-bit. En una computadora clásica, toda información es representada en forma de bits, que pueden tomar un valor de cero o uno. Físicamente, esto se logra a través de transistores que pueden estar encendidos (uno) o apagados (cero). Luego, la computación consiste en aplicar sobre estos bits una serie de operaciones lógicas que darán como resultado nueva información, por ejemplo la suma de dos números.

Ahora bien, de la misma manera que el gato de Schrödinger puede estar vivo y muerto a la vez, un Q-bit será un sistema que pueda adoptar dos estados (nuevamente cero y uno) pero cuyo comportamiento cuántico le permita estar en una superposición de ambos a la vez. En otras palabras, se trata de un bit no-binario.

De esta manera, un sistema de Q-bits almacenará mucha más información que su equivalente clásico, ya que posee información sobre cada secuencia de ceros y unos posible. Específicamente, para representar el estado de N Q-bits se requerirán del orden de 2^N bits clásicos. Por ejemplo, para simular un sistema de 50 Q-bits se requerirían 140 Terabytes de memoria clásicos. Como vemos, con una pequeña cantidad de Q-bits rápidamente podemos superar la capacidad de procesamiento de las computadoras más potentes de la actualidad.

Pero hay una trampa: como sucedía con el gato, para extraer información del sistema cuántico es necesario medir u observar el estado (cero o uno) de cada Q-bit. Esto hace que, de las millones de combinaciones posibles, solo una resulte accesible a nuestra experiencia, siendo el resultado de esta medición completamente probabilístico. En jerga, se dice que el sistema pasa de un estado superpuesto o entrelazado a colapsar a un estado puro. Solo accedemos a una de las posibles historias del jardín de Q-bits que se bifurcan.

Sin embargo, no todo está perdido: hay formas de aprovechar el entrelazamiento cuántico a pesar de que solo accederemos a un único resultado. Esto se logra implementando algoritmos (nuevamente secuencias de operaciones lógicas entre Q-bits) que amplifiquen la probabilidad de obtener un resultado deseado frente a los múltiples no deseados. ¿Chino básico? Pasemos en limpio.

Un algoritmo cuántico consiste en tres etapas:

1. Preparación: cada Q-bit se prepara en un estado inicial conocido, cero o uno, es decir, no superpuesto.
2. Propagación: se aplican una serie de operaciones lógicas que van a tomar dos Q-bits y hacerlos interactuar para entrelazarlos. En esta etapa se realizará la computación para la cual el algoritmo fue creado.
3. Medición: el estado del sistema será revelado (colapsará), siendo el resultado probabilístico. A diferencia de un algoritmo clásico, un algoritmo cuántico siempre requiere ser ejecutado muchas veces para tomar estadística de los posibles resultados. Una única ejecución es inservible.

Vamos a un ejemplo: el algoritmo de Grover.

Imaginemos que queremos encontrar en una base de datos un registro que cumpla con determinado atributo. Por ejemplo, en una base de personas, encontrar al que tenga cierto número de DNI. Para hacer esto, una computadora clásica debe recorrer la base de datos fila por fila comparando el DNI de cada persona con el buscado hasta hacer match. Esto requiere un número de operaciones que escala linealmente con el número total de personas en la base de datos: si se duplica el número de personas el algoritmo tardará el doble en encontrar al objetivo.

En una compu cuántica, la lógica es distinta: podemos buscar en todas las filas a la vez generando una superposición de estados adecuada. Sin embargo, si solo hacemos esto, mediremos un único resultado por vez y deberemos ejecutar el algoritmo N veces para llegar al resultado correcto. En otras palabras, estamos en la misma. Pero si además de generar la superposición de estados logramos amplificar la probabilidad de medir el resultado que buscamos (es decir, el índice en la base de datos de la persona con el DNI objetivo), entonces habremos superado el rendimiento de la computadora clásica. En eso consiste el algoritmo de Grover.

Me preocupan más las pirañas

Presentado así, el algoritmo de Grover difícilmente genere algún tipo de entusiasmo en cualquier ser humano por fuera de la comunidad de ñoños empedernidos. Pero, ¿qué pasa si en vez de pensar en una base de datos pensamos en el hackeo de una contraseña? El problema es esencialmente el mismo: para encontrar una contraseña por fuerza bruta, es decir, sin ninguna información previa, una computadora clásica debe probar una por una todas las contraseñas posibles hasta encontrar la correcta. Mediante el algoritmo de Grover, la complejidad de este problema podría reducirse considerablemente, y aquí estamos llegando al verdadero motivo del hype que se generó alrededor de las computadoras cuánticas.

Si bien hay varias aplicaciones bien intencionadas de la computación cuántica, como la aceleración del descubrimiento de nuevos medicamentos, el principal interés en avanzar en esta tecnología viene por el lado de la criptografía.

La mayoría de los sistemas de seguridad informática se basan en problemas matemáticos que ni la mejor computadora existente podría resolver en miles de años, principalmente la factorización de grandes números. Si un algoritmo cuántico (ver, por ejemplo, el algoritmo de Shor) rompiera con esta limitación, se produciría un colapso de todos los sistemas de almacenamiento de datos, incluida información bancaria y de seguridad nacional de los organismos gubernamentales.

Otra tecnología que entraría en crisis es blockchain, sobre la cual están basadas las criptomonedas más conocidas, como Bitcoin: dado que la minería de bitcoins consiste en poner una computadora a intentar resolver un problema matemático complejo, si un ordenador cuántico pudiera resolverlo fácilmente, el concepto dejaría de tener sentido.

Esperando el Q-day

Al día en que se alcance esta proeza se lo denomina Q-day. Esta fecha es motivo de miles de teorías especulativas por parte de futurólogos, conspiranoicos y freaks. Algunos dicen que el Q-day está cerca, otros que la tecnología china amenaza con llegar primero, y los más escépticos que lisa y llanamente no va a ocurrir nunca.

Sea como fuere, la certeza de cada una de estas teorías es lo suficientemente endeble como para que los organismos estatales y privados decidan invertir millones de dólares por las dudas, no sea cosa que al final Dios exista y sea otro el que llegue primero a tocar el cielo.

En Argentina hay diversos grupos que han logrado grandes avances en el dominio de tecnologías cuánticas. En 2019, un grupo de físicos del Laboratorio de Iones y Átomos Fríos del CONICET logró atrapar y manipular un átomo en una trampa para iones. Este tipo de sistemas constituye una de las posibles formas de generar Q-bits, además de permitir el estudio de otros aspectos de la teoría de la información cuántica. Por otro lado, científicos del Centro Atómico Bariloche de CNEA están desarrollando Q-bits basados en superconductores (la tecnología más usada en la actualidad) como parte del proyecto QUANTEC.

Sin embargo, todas estas iniciativas sufren las consecuencias del desfinanciamiento total del sector científico que actualmente está implementando el gobierno nacional. Mientras tanto, China avanza a pasos agigantados y este año anunció la fabricación de ordenadores cuánticos de 105 Q-bits, además de grandes logros en materia de teletransportación cuántica.

Más allá de las grandes promesas, el hype cuántico ocurre en un momento en que las burbujas especulativas son cada vez más comunes en los sistemas de inversión: hoy por hoy, puede invertirse en la compra de terrenos virtuales, parcelas en la luna o memecoins, con el único fin de que luego de cierto tiempo el valor suba y vender por algo más. En esa vorágine de sinsentido también entran las inversiones en computación cuántica, por lo que hay quienes se preguntan si todo esto no se trata de otra gran estafa piramidal que terminará en la nada.

Sea como sea, las computadoras cuánticas son una realidad y van a ocupar un lugar cada vez más central en los desarrollos tecnológicos futuros. El tiempo dirá hasta qué punto estos avances serán la base de una nueva revolución informática o si quedarán restringidos a un ámbito académico, y si las millonarias inversiones darán lugar a los milagros prometidos o morirán en una nueva burbuja especulativa.