Física, mecánica y computación cuántica: qué son y cómo se relacionan

La física cuántica, la mecánica cuántica y la computación cuántica son tres conceptos relacionados entre sí, pero que en ocasiones se confunden. La física cuántica es el campo de la física que permite entender el mundo a escala subatómica; la mecánica cuántica es la formulación teórica y matemática que describe estos fenómenos (por ejemplo, la ecuación de Schrödinger y el principio de incertidumbre); y la computación cuántica es la aplicación tecnológica de esos principios para crear algoritmos que procesan la información de manera diferente a los convencionales y, en algunos problemas, de forma mucho más eficiente y veloz.

En este sentido, la computación cuántica no se entiende sin la física cuántica y, en particular, sin la mecánica cuántica que la fundamenta. Al mismo tiempo, los avances en computación cuántica permitirán al ser humano hacer cálculos y operaciones matemáticas a una escala nunca vista, lo que podría acelerar el conocimiento científico.

Revolución en la física

Hace aproximadamente un siglo, la física experimentó una profunda revolución. Durante siglos, las leyes de la física clásica habían servido para explicar el comportamiento del mundo que nos rodea. Entre ellas estaban las leyes de Newton, que describen el movimiento de los objetos, así como teorías fundamentales como el electromagnetismo o la termodinámica. Cuando los científicos comenzaron a estudiar la materia a escala atómica, comprobaron que estas teorías no bastaban para explicar ciertos fenómenos, que parecían regirse por reglas diferentes.

En 1900, Max Planck estudiaba la radiación de los llamados cuerpos negros, objetos que absorben y emiten radiación. La física clásica predecía que la intensidad de esa radiación aumentaría indefinidamente con la frecuencia de la luz, pero los experimentos mostraban lo contrario: a frecuencias altas la intensidad disminuye, y las ecuaciones clásicas no explicaban el fenómeno. Para resolver esta contradicción, Planck propuso que la energía no se intercambia de forma continua, sino en pequeñas cantidades discretas llamadas cuantos cuyo tamaño está definido por una constante que lleva el nombre de su descubridor, la constante de Planck.

En 1905, Albert Einstein propuso que la luz está formada por partículas llamadas fotones, cuantos de energía cuya magnitud depende de la frecuencia de la luz y está determinada por la constante de Planck. Esta idea ayudó a explicar por qué la luz puede comportarse tanto como una onda como como una partícula. Dos décadas después, a mediados de los años veinte, físicos como Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger desarrollaron las primeras formulaciones matemáticas de la mecánica cuántica, la teoría que describe el comportamiento de la materia y la energía a escala microscópica.

Poco después, Heisenberg formuló el principio de incertidumbre, que establece que existen pares de propiedades físicas que no pueden conocerse simultáneamente con precisión absoluta. El ejemplo más conocido es el de la posición y el momento de una partícula: podemos conocer la posición de una partícula, pero entonces no podremos conocer con precisión cuál es su movimiento en ese momento, y viceversa. Es decir, no podemos conocer ambas propiedades al mismo tiempo.

Aplicaciones de la física cuántica

La física cuántica ha servido para que el ser humano sea capaz de entender la naturaleza a escala atómica, y este conocimiento ha permitido desarrollar avances técnicos y científicos que ahora damos por supuestos. Uno de los más relevantes es el de los transistores, que son la base de la electrónica moderna. Gracias a la física cuántica se conoce cuál es el proceso para controlar el paso de electrones por un material y que funciona como un interruptor: el apagado se representa con el 0 y el encendido con el 1.

Otro de los avances más relevantes es el del láser, que responde a los principios que estableció Einstein sobre el comportamiento cuántico de la luz. Las aplicaciones del láser son imprescindibles para entender el mundo de hoy en día, ya que es clave en la fibra óptica, para los lectores de códigos de barras y para gran parte del funcionamiento de las telecomunicaciones.

También se han desarrollado tecnologías médicas como la resonancia magnética, que aprovecha propiedades cuánticas de los núcleos atómicos para obtener imágenes detalladas del interior del cuerpo. Estos avances, junto a otros, se suelen agrupar bajo el nombre de primera revolución cuántica. Hoy, los científicos creen que estamos entrando en una segunda etapa: la de las tecnologías cuánticas avanzadas, entre las que destaca la computación cuántica.

Computación cuántica, una nueva forma de procesar información

Si la física cuántica es la disciplina que estudia los elementos fundamentales de la naturaleza, tales como electrones, fotones, átomos y moléculas,  y la mecánica cuántica el conjunto de principios que describen su comportamiento, la computación cuántica es la aplicación tecnológica de estos principios para procesar la información de manera potencialmente más eficiente. Se originó en la década de 1980, cuando los físicos Benioff y Feynman sentaron las bases para la computación con sistemas cuánticos. Sin embargo, es en los últimos años cuando se ha experimentado un gran impulso, gracias a los avances en la construcción de procesadores cuánticos y a los experimentos en sistemas cuánticos. Los avances en esta tecnología están motivando que muchos ya se refieran al periodo que vivimos actualmente como la segunda revolución cuántica.

La computación cuántica se diferencia de la clásica en la manera en la que procesa la información. Mientras que los ordenadores tradicionales se basan en bits que solo pueden tomar los valores 0 o 1, los ordenadores cuánticos utilizan los cúbits, bits que se pueden encontrar en una superposición de ambos estados al mismo tiempo. Al combinarse varios cúbits, las superposiciones aumentan de manera exponencial llegando a una altísima capacidad de cómputo. Esto hace que puedan resolver problemas a velocidades mucho más rápidas que los ordenadores clásicos.

La computación cuántica aprovecha varios fenómenos fundamentales descritos por la mecánica cuántica para sustituir los bits binarios por cúbits, tal y como explica IBM:

• Superposición: un cúbit puede disponer la información en un estado de superposición, que equivale a varias configuraciones del cúbit a la vez. Al combinarse varios cúbits, el número de configuraciones posibles crece de forma exponencial, lo que permite explorar muchas combinaciones de información simultáneamente y abordar así problemas de sistemas complejos (como las previsiones climáticas o la gestión de grandes carteras de inversión).
• Entrelazamiento: se refiere a la capacidad de los cúbits de correlacionar su estado. Tal es el vínculo, que cuando los procesadores miden un único cúbit, pueden conocer la información de otros cúbits del sistema.
• Interferencia: un grupo de cúbits en superposición estructura la información de forma parecida a las ondas. De esta manera, se pueden manipular las amplitudes de probabilidades para amplificar los resultados correctos y anular los incorrectos.
• Decoherencia: Sucede cuando se pierden los estados de superposición y entrelazamiento de los cúbits por impactos del entorno o factores ambientales como calor o radiación. Para que la computación cuántica funcione correctamente, se debe evitar la decoherencia.

Es importante matizar que la computación cuántica se encuentra en fase experimental y por el momento aporta ventajas para problemas muy específicos, como la simulación y optimización de sistemas extremadamente complejos. Pero también enfrenta retos importantes, como la corrección de errores cuánticos, la escalabilidad y la mitigación de la decoherencia.

A medida que se profundice en el conocimiento de la física cuántica, mayor será el desarrollo de la computación cuántica. De forma paralela, la computación cuántica abre un mundo de posibilidades para estudiar sistemas físicos cada vez más complejos, al ofrecer nuevas capacidades de computación impensables hasta hace pocos años.