Rompiendo barreras: computación cuántica

¿Es hardware o software; es física o ciencias de la computación? ¡Es la pregunta equivocada! Al menos eso opina el físico Neil Gershenfeld[1] quien en 1997 construyó un computador en el que los bits eran núcleos de átomos y que funcionaba procesando esos núcleos con coherencia cuántica haciéndolo mucho más rápido que los computadores clásicos (nótese que en este contexto dentro de “clásicos" está la versión más moderna de un Mac o un PC). En su tesis de grado en 2008, su estudiante Manu Prakash profundizó en la idea de un computador donde los bits transportan información pero también transportan y manipulan átomos, en esencia removiendo la distinción entre los materiales y los mecanismos que los controlan.[2] En otras palabras, está abierta la puerta para programar el mundo físico de la misma manera en la que hoy programamos el mundo digital.

Dada la escala a la que se trabaja, la computación cuántica da lugar a la manipulación de materiales como el ADN, las células vivas, los cristales líquidos y las nanopartículas. Lo que esto trae consigo, puesto en términos de ciencia ficción, es la posibilidad de construir el replicador de la serie “Viaje a las estrellas”.

Ya va más de un siglo desde que científicos como Max Planck y Albert Einstein reconocieron que el comportamiento de la materia y sus interacciones con energía en escalas muy pequeñas, como sucede dentro de los átomos, es muy diferente al que explican las leyes de la física clásica para los objetos de tamaños mayores a los que estamos acostumbrados. Se necesitaron muchas décadas para pasar de la teoría a la práctica; sin embargo ya salimos de la época del escepticismo y entramos a la de las aplicaciones tangibles, así sea por ahora en modo experimental. Particularmente relevante en la forma como las partículas del átomo se comportan es la “superposición" o capacidad de estar en diferentes puntos en el espacio al mismo tiempo. Contrario a los bits de los computadores actuales que son binarios y pueden ser 0 o 1, pero no ambos, la superposición hace posible lo que se conoce como cubit en la computación cuántica; los cubit pueden tener 2 estados al mismo tiempo; o sea que pueden ser un 0 y también un 1.

Los computadores comenzaron ocupando salones enteros y poco a poco se han ido reduciendo de tamaño. Con el advenimiento de la nanotecnología se llegó al punto mencionado arriba donde las leyes de la física cambian dramáticamente. La buena noticia es que esos extraños comportamientos de los cubit mejoran dramáticamente la velocidad de la computación. Se espera que la superposición y otras propiedades de la computación cuántica permitan resolver problemas que la clásica no puede abordar en un tiempo razonable.

Otra limitación de la computación clásica es que está basada en muchos modelos y al programar hay que pasar constantemente de una representación a otra. En la naturaleza, como la entienden los físicos, hay un solo modelo: un parche de realidad -> ocupa espacio -> guarda un estado -> se demora un tiempo en moverse -> y hay interacción.

Como la computación cuántica sigue ese modelo, la programación usa una sola representación que funciona de la misma forma que los mapas, en los que se puede pasar del nivel micro al macro sin perder la geometría. Esto causa que la abstracción que hay que hacer se simplifique y sea más fácil cruzar otra barrera que es la que existe entre la gente capaz de programar y la que se deja programar por las máquinas. Es probable que en el futuro las personas no especializadas estén tan familiarizadas con este modelo de programación como lo están hoy con el uso de mapas.

Dada la escala a la que se trabaja, la computación cuántica da lugar a la manipulación de materiales como el ADN, las células vivas, los cristales líquidos y las nanopartículas. Lo que esto trae consigo, puesto en términos de ciencia ficción, es la posibilidad de construir el replicador de la serie “Viaje a las estrellas”.

A pesar de ser una ciencia naciente, la computación cuántica proviene de una ruptura de barreras entre los físico y lo digital con implicaciones tan poderosas en el futuro próximo que no la debemos ignorar. La habilidad de transformar bits en átomos y átomos en bits es lo que falta en esta división entre hardware y software, y ciencias de la computación y ciencias físicas. Estamos en el momento histórico en el que podemos cruzar esa barrera de convertir lo digital en físico y programar la realidad. 

[1]  Programming a new reality, TEDx CERN 2015 https://www.youtube.com/watch?v=EA-wcFtUBE4

[2]  Microfluidic bubble logic, MIT 2008 http://cba.mit.edu/docs/theses/08.09.Prakash.pdf