¿Cuánto tiempo pasará antes de que las computadoras cuánticas puedan beneficiar a la sociedad?

Google y la Fundación XPrize han lanzado un concurso por valor de 5 millones de dólares (£4 millones) para desarrollar aplicaciones del mundo real para computadoras cuánticas que beneficien a la sociedad, al acelerar el progreso en uno de los Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas, por ejemplo. Los principios de la física cuántica sugieren que las computadoras cuánticas podrían realizar cálculos muy rápidos sobre problemas particulares, por lo que esta competencia puede ampliar la gama de aplicaciones en las que tienen una ventaja sobre las computadoras convencionales.

En nuestra vida cotidiana, la forma en que funciona la naturaleza generalmente puede describirse mediante lo que llamamos física clásica. Pero la naturaleza se comporta de manera muy diferente en escalas cuánticas diminutas, por debajo del tamaño de un átomo.

La carrera por aprovechar la tecnología cuántica puede verse como una nueva revolución industrial, que progresa desde dispositivos que utilizan las propiedades de la física clásica hasta aquellos que utilizan las extrañas y maravillosas propiedades de la mecánica cuántica. Los científicos llevan décadas intentando desarrollar nuevas tecnologías aprovechando estas propiedades.

Teniendo en cuenta la frecuencia con la que se nos dice que las tecnologías cuánticas revolucionarán nuestra vida cotidiana, puede sorprender que todavía tengamos que buscar aplicaciones prácticas ofreciendo un premio.

Sin embargo, si bien existen numerosos ejemplos de éxito en el uso de propiedades cuánticas para mejorar la precisión en la detección y el tiempo, ha habido una sorprendente falta de progreso en el desarrollo de computadoras cuánticas que superen a sus predecesores clásicos.

El principal obstáculo que frena este desarrollo es que el software (que utiliza algoritmos cuánticos) debe demostrar una ventaja sobre las computadoras basadas en la física clásica. Esto se conoce comúnmente como «ventaja cuántica».

Una forma crucial en que la computación cuántica se diferencia de la computación clásica es en el uso de una propiedad conocida como «entrelazamiento». La informática clásica utiliza «bits» para representar información. Estos bits constan de unos y ceros, y todo lo que hace una computadora comprende cadenas de estos unos y ceros. Pero la computación cuántica permite que estos bits estén en una «superposición» de unos y ceros. En otras palabras, es como si estos unos y ceros ocurrieran simultáneamente en el bit cuántico o qubit.

Es esta propiedad la que permite que las tareas computacionales se realicen todas a la vez. De ahí la creencia de que la computación cuántica puede ofrecer una ventaja significativa sobre la computación clásica, ya que es capaz de realizar muchas tareas informáticas al mismo tiempo.

Algoritmos cuánticos notables
Si bien realizar muchas tareas simultáneamente debería conducir a un aumento del rendimiento con respecto a las computadoras clásicas, poner esto en práctica ha demostrado ser más difícil de lo que sugeriría la teoría. En realidad, sólo hay unos pocos algoritmos cuánticos notables que pueden realizar sus tareas mejor que los que utilizan la física clásica.

Los más notables son el protocolo BB84, desarrollado en 1984, y el algoritmo de Shor, desarrollado en 1994, los cuales utilizan el entrelazamiento para superar a los algoritmos clásicos en tareas particulares.

El protocolo BB84 es un protocolo criptográfico: un sistema para garantizar una comunicación privada y segura entre dos o más partes que se considera más seguro que los algoritmos clásicos comparables.

El algoritmo de Shor utiliza el entrelazamiento para demostrar cómo se pueden romper los protocolos de cifrado clásicos actuales, porque se basan en la factorización de números muy grandes. También hay evidencia de que puede realizar ciertos cálculos más rápido que algoritmos similares diseñados para computadoras convencionales.

A pesar de la superioridad de estos dos algoritmos sobre los convencionales, han seguido pocos algoritmos cuánticos ventajosos. Sin embargo, los investigadores no han dejado de intentar desarrollarlos. Actualmente, hay un par de direcciones principales en la investigación.