Computadores cuáticos, parte final.

 En tiempos de fin de año, comienzo del siguiente, aparecen las promesas de año nuevo, ese conjunto de objetivos que uno se propone alcanzar durante el año que recién comienza. Puede ser desde bajar de peso, leer más, viajar, o ser más feliz. Cualquiera que sean sus objetivos durante este año 2014, esperamos que los puedan cumplir.  Por nuestra parte, con la columna de hoy, y con ánimo de ir cerrando capítulos, terminamos la serie de artículos sobre computadores cuánticos.
 
En la primera columna de esta serie (puedes hacer click acá para acceder a ella) aprendimos que existen problemas de distinta dificultad, entre los cuales destacamos los problemas tipo NP que en palabras simples* son los problemas difíciles de solucionar, pero los cuales,  si por alguna razón un candidato a solución se encuentra, se puede verificar si ese candidato es o no solución de manera rápida.
En la segunda columna de esta serie, aprendimos un poco de como funciona la mecánica cuántica (accede a esa columna acá). Allí explicamos el
famoso experimento de las dos rendijas, donde los electrones se comportan como onda y como partícula.
Aunque las dos columnas anteriores son (espero) interesantes por si mismas, es obvio preguntarse: ¿están estos dos temas relacionados?.

Para empezar a entender como estos temas se conectan, volvamos al electrón.
El hecho de que el electrón se comporte como onda y partícula simultáneamente se conoce como la dualidad onda-partícula. Es bastante extraño que un objeto posea dos cualidades que son opuestas, de forma simultánea. Nadie anda por la vida siendo de la U y del Colo-Colo al mismo tiempo, o avanzando y retrocediendo simultáneamente. Sucede que el mundo cuántico es completamente diferente, y las cosas si pueden tener dos características opuestas, simultaneamente (como la dualidad onda particula). 

 Para entender mas patentemente esta idea extraña, miremos a otra característica del electrón, su espín. El espín del electrón es una propiedad interna, lo podemos imaginar como su color o su "forma". En particular los físicos asociamos el espín del electrón con un momentum angular intrínseco. Este espín esta caracterizado por la "dirección de giro*" de la partícula. Cuando medimos el espín de un electrón, producimos un colapso de la función de onda, y solo obtenemos dos resultados opuestos, o el espín apunta digamos al norte (N), o al sur (S). Antes de la medición, el espín se encuentra en una superposición de norte y sur. Luego de medir, obtenemos con cierta probabilidad p norte y con probabilidad 1-p sur. Esta característica del sistema es la que permite crear computadores mucho mas poderosos.

Recordemos como funcionan básicamente los computadores actuales. Dejando de lado la arquitectura y el software, a nivel fundamental los computadores actuales usan, para guardar y manipular la información, una serie de ceros y unos, que representan el estado de encendido/apagado. Un estado, o bit, posee dos configuraciones excluyentes, o esta encendido o esta apagado. No existe un bit medio encendido medio apagado. Por otro parte, si  usamos un sistema cuántico (por ejemplo el espín del electrón) para representar los estados de un computador, tendríamos un bit cuántico, qbit, que posee infinitas configuraciones posibles. Mientras que para caracterizar una secuencia de N bits necesitamos N valores, una secuencia de N qbits es caracterizada por 2 elevado a N configuraciones!.  Es este crecimiento exponencial el que hace la computación cuántica tan prometedora.

La idea es entonces construir un aparato que en vez de estar basado en bits, esté basado en qbits. Este sistema tendría la particularidad de que no debe ser medido en ningún momento durante un calculo, ya que una medición destruiría las características cuánticas (colapso de la función de onda, ¿recuerdan?). 

El computador cuántico sería capaz de, en un solo cómputo, calcular todas las posibilidades simultáneamente. Luego de que el cómputo ha finalizado, podemos medir el estado del sistema para obtener la respuesta.

Ahora, como recordarán, una medición en un sistema cuántico entrega distintos resultados con cierta probabilidad. Es aquí cuando el concepto de problemas tipo NP entra en juego. Luego de la medición, tenemos un candidato a respuesta, pero tenemos que verificar si es en realidad una respuesta correcta, dado que la medición pudo habernos entregado otro resultado que no tiene nada que ver con la respuesta que estamos buscando. Esta verificación se puede realizar con computadores convencionales para problemas tipo NP, que son difíciles de solucionar, pero fáciles de verificar dada una solución.

Existe un pero, eso si. Nosotros vivimos en un mundo clásico donde no existen estados opuestos a nivel macroscópico. Entonces el mundo clásico conspira contra estos estados cuánticos, provocando que estos estados pierdan su "cuanticidad". Eso se conoce como decoherencia. Por eso que es tan difícil construir un aparato macroscópico que mantenga sus características cuánticas sobre un número de sistemas y un tiempo suficiente para hacer cálculos.

Un computador cuántico requerirá trabajar a temperaturas muy bajas, donde las fluctuaciones térmicas están suprimidas y la decoherencia es mínima. Imagen The Economist

Pero la ciencia y la curiosidad humana no se detienen, y esperamos que esta poderosa idea avance y logre hacerse realidad.**

Se que esta columna puede ser un poco densa (revisamos 200 años de ideas!), por lo que cualquier pregunta, no duden en dejarla en los comentarios.

*En explicar estos conceptos, he preferido la simplicidad a la rigurosidad técnica.
** Existen algunas compañías que aseguran que ya han construido un computador cuántico. La más conocida de estas compañías se llama Dwave y ha vendido algunos de sus dispositivos a la Nasa y Google por ejemplo. Cuán cuánticos son estos computadores es algo que la comunidad científica no tiene claro, pero lo seguro es que aún no logran la escala necesaria para superar el poder de un computador clásico. Aunque al principio mucha gente veía con reticencia a esta compañía, dado su desprecio a la comunidad científica y secretismo respecto al hardware, un cambio en su política comunicacional y una apertura al testeo por parte de la comunidad, han empezado a cambiar esta situación.