Pensándolo bien...

En dos bits se pueden almacenar cuatro valores diferentes, ya que cada bit puede estar en uno de dos estados (0 o 1). Los posibles valores que se pueden representar con dos bits son: 00, 01, 10, 11. Cada combinación de estos dos bits representa un valor único. En contextos como la computación y la información digital, esto se utiliza para representar datos de manera binaria. Por ejemplo, en un contexto muy simple, estas combinaciones podrían representar los números del 0 al 3 o podrían utilizarse para codificar otros tipos de información, dependiendo del sistema y del contexto en el que se utilicen.

En dos cubits (qubits), se pueden almacenar más estados que en dos bits clásicos debido a las propiedades únicas de la mecánica cuántica. Un cubit, a diferencia de un bit clásico, puede existir simultáneamente en una superposición de los estados 0 y 1. En cubits, la cantidad de estados en superposición aumenta. exponencialmente. Los estados posibles de dos cubits incluyen todas las combinaciones posibles de 0 y 1 para cada cubit, así como superposiciones y entrelazamientos de estos estados. Estos incluyen: 00, 01, 10, 11, superposiciones de los anteriores (por ejemplo, una combinación de 00 y 11) y estados entrelazados, donde el estado de un cubit está correlacionado con el estado del otro de una manera que no es posible en la computación clásica. La superposición permite que un sistema de dos cubits represente todos estos estados simultáneamente, aunque al medir los cubits, colapsarán a uno de los estados de base (00, 01, 10 o 11). El entrelazamiento es otra propiedad clave de los cubits. Si dos cubits están entrelazados, el estado de uno está directamente relacionado con el estado del otro, independientemente de la distancia entre ellos. Esto permite fenómenos únicos en la computación cuántica, como la teleportación cuántica. Así pues, dos cubits pueden representar más información que dos bits clásicos, debido a su capacidad de estar en múltiples estados simultáneamente y a la propiedad del entrelazamiento cuántico. Esto es parte de lo que hace que la computación cuántica sea potencialmente mucho más poderosa que la computación clásica para ciertos tipos de problemas.

Para calcular el número de estados diferentes que pueden ser representados por 10 bits, usamos la fórmula 2^n (léase «2 elevado a n»), donde n es el número de bits (variaciones con repetición de dos elementos, 0 y 1, tomados de n en n). Esto se debe a que cada bit tiene 2 estados posibles (0 o 1). Así que, para 10 bits, el cálculo sería 2^(10) (léase «2 elevado a 10»). Hay 1024 estados diferentes que se pueden representar con 10 bits. ​ Cada cubit, debido a las propiedades de la mecánica cuántica, puede existir en una superposición de los estados 0 y 1. Esto significa que un solo cubit puede representar ambos estados simultáneamente, en lugar de tener que ser 0 o 1 como en un bit clásico. Cuando combinamos cubits, el número de estados posibles aumenta exponencialmente. Para dos cubits, hay 4 posibles estados (00, 01, 10, 11), para tres cubits hay 8, y así sucesivamente. De manera general, para n cubits, el número total de estados diferentes es .

Para calcular el número de estados diferentes que se pueden representar con 10 cubits, también usamos una fórmula exponencial, pero la base es 2 elevado a la cantidad de cubits. Esto se debe a que cada cubit, debido a las propiedades de la superposición y el entrelazamiento cuántico, puede existir en una combinación de estados 0 y 1 simultáneamente. Para 10 cubits, el cálculo sería 2^(10) (léase «2 elevado a 10»), igual que en el caso de los bits clásicos. Sin embargo, la interpretación es diferente. Mientras que 10 bits clásicos pueden representar uno de los 1024 estados posibles en un momento dado, 10 cubits pueden existir en una superposición de todos estos 1024 estados simultáneamente. Así, el número de estados diferentes que pueden ser representados por 10 cubits es también 1024, pero con la capacidad adicional de representar una superposición de todos estos estados a la vez, lo que es fundamental en la computación cuántica.

Imagen original creada con CHAT GPT y DALL-E

La capacidad de los cubits de representar todos los posibles estados a la vez, gracias a la superposición, ofrece varias ventajas clave en el ámbito de la computación cuántica, porque permite que un sistema cuántico realice operaciones en múltiples estados simultáneamente. En la computación clásica, una operación se realiza en un solo conjunto de bits a la vez. En contraste, un ordenador cuántico puede realizar la misma operación en una superposición de todos los estados posibles. Esto ofrece un tipo de paralelismo que puede ser exponencialmente más rápido para ciertos problemas. Algunos problemas que son extremadamente difíciles o prácticamente imposibles de resolver para los ordenadores clásicos, como la factorización de grandes números (importante en criptografía) o la simulación de sistemas cuánticos complejos, pueden ser abordados de manera más eficiente por los ordenadores cuánticos. Algoritmos como el de Grover aprovechan la superposición para buscar en una base de datos no ordenada mucho más rápido que cualquier algoritmo clásico. El entrelazamiento, una propiedad que permite que los estados de múltiples cubits estén correlacionados entre sí, permite fenómenos como la teleportación cuántica y pueden ser útiles en comunicaciones cuánticas y en la creación de estados cuánticos muy específicos para cálculos complejos. La superposición y el entrelazamiento abren nuevas áreas de investigación en informática, criptografía, telecomunicaciones y física. La computación cuántica tiene el potencial de resolver problemas que actualmente son inabordables. Los problemas de cálculo que plantea la química cuántica que requieren una potencia de cálculo muy elevada, son abordables, así como muchos otros con similares exigencias de cálculo. Es importante destacar que, aunque estas ventajas son significativas, la computación cuántica aún se encuentra en una etapa temprana de desarrollo y enfrenta muchos desafíos técnicos y teóricos antes de que su potencial completo pueda ser realizado.

Que los 1024 estados estén representados al mismo tiempo en un sistema de 10 cubits, gracias a la propiedad de la superposición, tiene un significado profundo y poderoso en la computación cuántica: los cubits pueden existir en un estado de superposición, lo que significa que no están limitados a ser simplemente 0 o 1 (como los bits clásicos), sino que pueden existir en una combinación de ambos estados a la vez. Para 10 cubits, esto implica que pueden representar simultáneamente una mezcla de todos los estados posibles (desde el 0000000000 hasta el 1111111111). Esta capacidad de estar en múltiples estados al mismo tiempo permite lo que se conoce como «paralelismo cuántico». En la computación clásica, las operaciones se realizan en un estado cada vez. En contraste, un ordenador cuántico puede realizar cálculos en los 1024 estados a la vez. Esto significa que, para ciertos tipos de problemas, un ordenador cuántico puede procesar información y resolver problemas mucho más rápidamente que un ordenador clásico. La habilidad de un sistema cuántico para explorar múltiples soluciones simultáneamente hace que sea potencialmente muy poderoso para ciertos tipos de problemas complejos. Por ejemplo, podría buscar en una base de datos no ordenada más rápidamente que un ordenador clásico o simular sistemas físicos cuánticos de una manera que sería inabordable para los ordenadores clásicos. Es importante señalar que esta superposición de estados existe hasta que se efectúa una medida en el sistema cuántico. Una vez que se realiza una medición, el sistema «colapsa» a uno de los estados posibles, perdiendo esa superposición. La predicción de qué estado será el resultado de una medición es probabilística y está definida por la mecánica cuántica.

La computación cuántica no solo es cuestión de la unidad básica de información, tomada como el cubit, sino el mantenimiento de la superposición de estados de forma controlada, dado que pequeñas perturbaciones bastan para romper la coherencia de los sistemas y colapsar en un estado clásico. IBM acaba de dar a conocer la fabricación de un procesador de 1.121 cubits, denominado Cóndor, que es el mayor conocido hasta ahora. Pero además un chip, denominado Herón, de 133 cubits para la interconexión, que obedece a una arquitectura denominada “tunable coupler”, y, finalmente, un System Two, modular y flexible para responder a múltiples combinaciones de procesadores con enlaces de comunicación cuántica y clásica. Se está encontrando solución a la minimización y corrección de errores que hacen vislumbrar el nacimiento de una nueva era de la computación que puede encaminarse en un tiempo mínimo a la construcción de un superordenador cuántico. Los de IBM sitúan este logro en 2033.

Las interacciones generan fallos al provocar que la superposición de estados se degrade. Es la clave operativa de los ordenadores cuánticos, porque en la superposición de estados radica la potencia de la computación cuántica. Todos los esfuerzos están centrados en lograr una robustez y tolerancia que preserve la superposición de estados. Las compuertas que lo posibilitan en opinión de IBM están logradas. La capacidad es importante y, de hecho, el paso que ahora se da es pasar de un procesador cuántico de 433 cubits a otro de 1121, aunque todavía es más audaz la modularidad con la que se plantea la escalabilidad. Es un paso cualitativo que no tiene tanta exigencia en el incremento de la capacidad de un procesador único, sino con muchos chips conectados. Es lo que se ha plasmado en la arquitectura denominada tunable coupler, con la que se obtienen plataformas de mayor capacidad y funcionalidad combinando modularmente, incluso la comunicación clásica. Este `procesador es el denominado Heron que sustituye al Eagle con una mejora de hasta cinco veces. Y, finalmente el sistema de interconexión es el denominado System Two que conecta procesadores de forma modular con enlaces de comunicación. En realidad, se propone una red al estilo de las arquitecturas convencionales, salvando las distancias.

Estamos más cerca de lograr una computación eficiente, económica y precisa, que es crucial para una nueva era en la que los conceptos cuánticos vierten toda su potencialidad para que la tecnología impulse el progreso al poder acceder a grandes áreas de conocimiento convertidas en estelares con el avance científico y que marcan el itinerario de las próximas décadas. Se sitúa en 2030 el nacimiento de una nueva era en la que la imaginación queda corta para entrever el escenario. El superordenador está al alcance de la mano. Hay que prepararse.