Más allá del Uno y el Cero: Un viaje alucinante las profundidades de un qubit

Seguramente no lo habrás percibido pero todos los días de tu vida están gobernados por una ley invisible e inexorable: "La ley de la Certeza binaria". Los dos estados que presenta la realidad en una simple observación superficial. Por ejemplo tu lámpara del salón solo puede estár encendida o está apagada. La puerta de tu casa puede estar abierta o estar cerrada. Tu computadora portátil igual, o esta encendida (ON)=1 y ahora estas leyendo esto o esta apagada (OFF)=0 y te estas perdiendo este articulo. Por tanto el interruptor que enciende tu teléfono móvil solo tiene dos frías realidades: el paso de corriente o la ausencia de ella que se puede ver así de forma resumida así: (ON, OFF). Este es el mundo del Uno (1) y del Cero (0) que actualmente tu usas para tus videojuegos como el Fornite, Call Of Duty, Medall Of Honour, y de igual modo también para estudiar desde tu portátil los temarios de tus asignaturas y también los exámenes.  Por consiguiente es la Base matemática Binaria que da vida al chip de silicio sobre el que hemos construido toda nuestra era digital actual. Durante décadas, este lenguaje Binario de (1 y 0) nos ha bastado para conectar continentes, enviar naves a Marte o digitalizar todo el conocimiento humano de la Wikipedia entre 4 y  8 Gigas aproximadamente. 

 

Sin embargo, si descendemos a la zona más profunda e íntima de la naturaleza, donde esta la sala de maquinas del átomo y las partículas subatómicas que lo componen y orbitan en espacios complejos, las leyes cotidianas del ON-OFF que consideramos invariables se desmoronan por completo. Bienvenidos a la zona del microcosmos mas comprimida del espacio, un zona donde las cosas pueden "ser y no ser" al mismo tiempo. Un universo de posibilidades infinitas que hoy estamos empezando a experimentar dentro de las máquinas más potentes jamás creadas por el ser humano: los ordenadores cuánticos.

 

 

El drama en la caja cerrada: El gato que habita en dos mundos a la vez 

 

Para entender esta revolución de los súper  computadores cuánticos, debemos realizar un viaje mental al pasado, y retroceder en el tiempo. Debemos ir al año 1935. Imaginemos que estamos allí y vemos al físico austriaco Erwin Schrödinger tratando de explicarles a sus colegas una idea de naturaleza perturbadora y extraña de la mecánica cuántica. Schrödinger diseñó un experimento mental que hoy es leyenda de la cultura popular, pero que a menudo se malinterpreta por no describirlo de forma fácil. Imagina una caja de acero completamente opaca y sellada del mundo exterior. En su interior colocamos a un gato. Junto a él, un mecanismo diabólico: un átomo radiactivo, un detector de radiación y un frasco con veneno. Si el átomo se desintegra (algo que ocurre con un 50% de probabilidad pura), el detector lo registra, libera el martillo, rompe el frasco y el gato muere. Si el átomo no se desintegra, el gato sigue vivo porque no ha pasado nada de lo descrito. Para nuestra lógica macroscópica de la observación habitual, el gato está vivo o está muerto dentro de la caja; pero nosotros simplemente no lo sabemos porque aun no hemos mirado dentro de la caja. Pero cuidado, la física cuántica nos dice algo mucho más radical y desconcertante: mientras la caja permanezca cerrada, el átomo se encuentra en una superposición de estados (desintegrado y no desintegrado a la vez). Por lo tanto, el gato está en estado real y físicamente vivo y muerto al mismo tiempo.

 

Como se aprecia en la imagen de arriba, en la infografía que os he diseñado con un enfoque personal, el gato no es una incógnita matemática; habita en una bruma estadística donde ambas realidades coexisten de manera genuina al mismo tiempo. El drama llega con la intervención del observador. En el preciso instante en que un científico estira la mano y abre la tapa de la caja para mirar, el universo se ve obligado a tomar una drástica decisión. Entonces toda esa hermosa y a la vez aterradora nube de probabilidades colapsa instantáneamente en un único estado determinista. La superposición se rompe, el interruptor se activa y la realidad se congela en un rotundo 1 (vivo) o un 0 (muerto). El acto de observar crea el destino. Para que lo veais mas claro: "Mientras no mires, todo el universo es  como la pantalla de un antiguo tubo de televisión  de 1980 sin señal de antena, una caotica migraña cuántica de superposiciones de puntos blancos y negros rotantes agitándose y intentando colapsar de algún modo sin lograrlo. Pero cuando miras el objeto... de repente todo se congela en ese instante, y emerge una sola imagen determinista de todas las posibles existentes estadísticamente". Lo se... nunca te lo habían explicado de esta manera tan simple... claro, entiéndelo, esta vez no te lo explica tu profesor de física,  te lo explica un Outlier que es como me llaman los de la comunidad del Marco Formal de ciencias en plan jocoso. ¡Que derroche de ingenio!

 

 

La moneda que nunca cae: Del Gato de Schrödinger al corazón del 'Qubit  

 

Aquí es donde damos el salto  explicativo de la teoría abstracta a la tecnología mas pura, introduciendo de forma estelar  la idea de la moneda de un euro. Si el experimento visual del gato ya te ayudo a entender mejor la teoría básica de la superposición cuántica, la verdadera magia ocurre ahora cuando intentamos controlar esa locura cuántica para procesar información. Como ya explique, en la informática normal que usamos todos los días, la unidad mínima de información es el bit. Para que veas como un "Outlier" enfoca los mismos problemas físicos que los Científicos de cualquier institución, pero con otro enfoque intelectual diferente y sin las molestas restricciones, te lo explico con un ejemplo mas simple que esa compleja Criptografía de Ecuaciones abigarradas que usan ellos y que vuelve aun mas loco a un loco: Piensa en él Qubit como una moneda de un euro apoyada sobre una mesa: La moneda o muestra la cara (1) o muestra la cruz (0). Está estática, definida y es predecible y esta parte es aun mas interesante. Si tienes dos bits, y eres listo y sabes ver combinaciones, al instante te darás cuenta de que puedes formar cuatro combinaciones diferentes (00, 01, 10, 11), pero un ordenador clásico solo puede procesar una de esas cuatro combinaciones a la vez. Por eso son ruidosos, lentos como tortugas, van paso a paso, y usan algoritmos del tipo P x P, o si lo quieres Bit por Bit como ya explique en un articulo anterior.

 

Pero, ¿qué sucede si cogemos esa misma moneda reluciente de un Euro, y la hacemos girar con fuerza sobre su propio eje sobre la mesa? Veremos, algo que todos los niños y mayores han hecho alguna vez. Mientras la moneda gira a toda velocidad rotando por su eje vertical polar, la pregunta que te debes hacer es: ¿durante el giro la moneda es cara o es cruz o las dos a la vez? No es ninguna de las dos y, a la vez, es una mezcla perfecta de ambas cosas. Su perfil, ese canto dorado que vemos difuminado en la imagen por la velocidad del giro, se convierte entonces en la clave de una pura incertidumbre estadística del [50%/50%]  o de [0.5 + 0.5= 1]. Y aquí acabamos de entrar en el territorio del Qubit (o bit cuántico). 

 

Como puedes observar en la infografía, la moneda tiene un movimiento rotante en dos sentidos opuestos a la vez, que simula de manera mas aproximada la experiencia que en física conocemos como el espín cuántico. Pero aquí debo advertir un dato: "El Spin cuántico en la física actual se conoce como el momento angular intrínseco, es decir, el giro propio de la partícula no depende de su movimiento espacial, se trata de una interacción", por lo que  mi gráfico solo es una  aproximación, no una realidad.  Pero sigamos, al rotar velozmente la moneda en dos sentidos opuestos no puede elegir un lado sino que procesa ambos estados de forma simultánea. Esto es lo que le da a un ordenador cuántico su auténtico superpoder: mientras que un procesador clásico tiene que probar todos los caminos del laberinto de su chip uno a uno (P x P), un procesador cuántico, gracias a sus qubits en superposición, puede recorrer todos los caminos del laberinto al mismo tiempo (NP). El truco, por supuesto, no dura para siempre. Un ordenador cuántico hace sus complejos cálculos matemáticos en la penumbra de la superposición, balanceando la moneda de su perfil canto. Pero para que el qubit (Moneda) pueda darnos una respuesta que los humanos podamos entender, el sistema necesita un input, una medición, un momento de pausa. En el ultimo nanosegundo (10-9 una mil millonésima de segundo) en que la máquina mide el qubit, el giro se detiene en seco. La moneda cae en ese instante sobre la mesa y toda el proceso probabilístico colapsa en un resultado único, clásico y determinista: o Cara (∣1|⟩) o Cruz (|0|⟩). En ese momento el interruptor se apaga o se enciende, y el viaje cuántico nos devuelve nuevamente a nuestra realidad binaria, pero mostrando la solución a un problema que a un superordenador actual le costaría miles de años descifrar.

 

El "superpoder" escondido: La acción fantasmal que conecta el universo 

 

Si la superposición de un solo qubit ya te pareció asombrosa, lo que viene a continuación aun es mas sorprendente. Es lo que ocurre cuando unimos vario conceptos que parecen rozar la ciencia ficción. Es el fenómeno que el mismo Albert Einstein miraba con recelo y desconfianza y que llegó a bautizar como "una acción fantasmal a distancia": el entrelazamiento cuántico. Para entenderlo, recuperemos nuestra moneda de un euro. Imaginemos que entrelazamos la dos monedas idénticas en un estado cuántico especial, y las vinculamos íntimamente a nivel subatómico, y luego... tu te quedas una moneda y la otra se la entregas a un amigo tuyo Astronauta que viaja rumbo a Marte. Tú lanzas tu moneda en la Tierra al aire y empieza a girar en una rotación por su perfil, y en ese estado de superposición 50%/50% que ya describí en los gráficos. Lo que sucede a continuación es que en ese mismo instante, a millones de kilómetros de distancia, la moneda del astronauta en Marte empieza a girar exactamente igual. Pero el misterio no es ese exactamente. La verdadera sorpresa ocurre cuando pones la mano sobre tu moneda y detienes el giro: colapsa y muestra Cara. En ese mismo nanosegundo, y sin un solo retraso de tiempo, la moneda del Astronauta en Marte también se detiene por sí sola y muestra la moneda en el lado de Cruz. Y un dato importante: No importa si las monedas están en la misma habitación o en extremos opuestos de la galaxia del Universo; al medir una, la otra reacciona de forma instantánea.

 

En la computación clásica, si añades un bit a un procesador, su potencia crece de uno en uno. Pero en un ordenador cuántico, gracias al entrelazamiento, cada qubit que añades se conecta con todos los demás que ya existen operando, haciendo que la capacidad de cálculo de la máquina crezca de forma exponencial. Por ejemplo y para que te hagas un idea, dos qubits procesan 4 estados a la vez; tres qubits procesan 8; nota que la progresión es ascendente ¡y con solo 300 qubits entrelazados, una máquina Cuántica ya podría procesar más estados simultáneos que átomos existen en todo el universo observable! 

 

 Conclusión: El amanecer de una nueva era tecnológica

 

Controlar este estado subatómico no es tarea fácil. Los ordenadores cuánticos actuales son maquinas extremadamente frágiles. Para que las monedas no dejen de girar antes de tiempo —un desastre conocido como decoherencia cuántica—, estos procesadores deben operar en el interior de imponentes cilindros de oro y cobre, aislados del ruido electromagnético del mundo y refrigerados a temperaturas muy bajas de −273∘C, una fracción por encima del cero absoluto si recordamos la temperatura del fondo de microondas del propio universo a −270,45∘C, lo que esto equivale a unos 2,725 K (Kelvin). Por comparar: Los contenedores de esos procesadores están más fríos que el propio espacio del universo mas profundo.

 

¿Por qué nos tomamos tantas molestias con los ordenadores cuánticos? Porque no estamos construyendo ordenadores para jugar a videojuegos más rápido o navegar por internet. Estamos forjando una nueva versión de herramientas capaces de simular la naturaleza misma a escala molecular. Veréis, para todos los que ahora estáis estudiando "La computación cuántica" con cierto desasosiego y que en el futuro del 2050 o 2060 seréis Informáticos cuánticos o Ingenieros de computación Cuántica, en los próximos años, la computación cuántica no transformará las pantallas, sino el mundo real. Nos permitirá diseñar nuevos materiales para capturar el dióxido de carbono de la atmósfera, descifrar los secretos de la fotosíntesis para revolucionar la agricultura, optimizar las rutas logísticas globales para reducir drásticamente el consumo de combustible y sintetizar vacunas y medicamentos revolucionarios en cuestión de horas en lugar de décadas. Con esto quiero decir, que si os ponéis en serio y estudiáis esta disciplina estaréis surfeando la cresta de la ola en ese momento, no os quedareis por atrás...

 

Durante siglos, el ser humano ha mirado al universo intentando comprender sus leyes. Hoy, por primera vez en la historia, hemos aprendido a coger esas leyes extrañas, caóticas y bellas, y las hemos convertido en el motor que diseñará nuestro mañana con los ordenadores cuánticos. La era cuántica ya ha comenzado, y apenas estamos empezando a vislumbrar hasta dónde nos llevará este viaje alucinante más allá del uno y del cero.