Después de entender el origen y fundamentos de un computador clásico, según vimos en el anterior artículo de esta serie |QC-2> Von Neumann abre la puerta a Mr. Bit, es el momento de introducir las diferencias que existen en el nuevo paradigma de la computación cuántica.

En este artículo comenzaremos a introducir los conceptos básicos de la computación cuántica. Hablaremos de los fundamentos científicos y técnicos que hay detrás de la construcción de un computador cuántico, las características que lo definen, la unidad básica de información y sus modos de implementación.

En primer lugar, tenemos que subrayar que un computador cuántico es muy diferente a su homólogo clásico en cuanto a construcción, operación y programación… y también respecto a sus casos de uso, al menos por el momento, y posiblemente durante las próximas décadas.

La importancia del computador cuántico

La computación cuántica se ha convertido en un eje estratégico dentro de las políticas científicas y de innovación de muchos estados, generando un mercado que mueve miles de millones de euros y creando un ecosistema muy diverso de empresas, desde spin-offs de centros públicos de investigación y startups, hasta grandes compañías en diferentes sectores: semiconductores, cloud pública, telecomunicaciones, ciberseguridad, aeroespacial, etc.

La pregunta clave es ¿por qué despiertan tanto interés?

En primer lugar, como mencionamos al final del artículo anterior, porque la miniaturización de los componentes electrónicos dentro del procesador, ha llegado a un límite en el que el diseño y operación de estos dispositivos no sigue las reglas que, cómodamente, nos han guiado durante casi 100 años. A escala microscópica, como veremos más adelante, la materia se comporta de modo diferente al que estamos habituados, y esto, al margen de influir en el diseño, fabricación y operación de los componentes de un computador clásico, también establece unos límites a la miniaturización, lo cual hace necesario un cambio de paradigma en la computación digital que nos ha acompañado durante el último siglo. Y aquí es donde la computación cuántica u otras aproximaciones, como la computación neuromórfica, pueden permitir la evolución de los sistemas de computación para cubrir nuestras demandas crecientes en la gestión de los datos y resolución de problemas computacionalmente complejos.

En segundo lugar, porque los problemas que puede resolver un computador cuántico, que no son cualquiera (al menos por el momento), se procesan en paralelo y a unas velocidades que hacen palidecer a sus hermanos digitales. El computador cuántico es, de forma natural, una máquina de procesamiento paralelo. Por el contrario, un computador digital es, en esencia, una máquina de procesamiento secuencial a la que hemos dotado de una capacidad de paralelización a base de técnicas originales: algunas implementadas en la CPU, otras con el uso de dispositivos externos, como las GPU, y otras por medio de sofisticadas técnicas de software. Esto sitúa al computador cuántico como una máquina capaz de resolver problemas irresolubles por métodos convencionales. Un ejemplo es el que se deriva del algoritmo cuántico de Shor para la factorización de números enteros. Si lo comparamos con su equivalente en el mundo digital, el algoritmo “Number Field Sieve” (el champion de todos los algoritmos clásicos de factorización), el primero es significativamente más rápido que el segundo. Esto abre las puertas a un abanico de posibilidades para el computador cuántico, al margen de permitir romper las claves de RSA, o criptografía de clave pública, empleadas en la mayoría de los sistemas de criptografía actual.

Por poner un ejemplo de procesamiento paralelo, la CPU de un computador clásico moderno puede realizar, como máximo y en promedio, 16 operaciones por cada ciclo de su reloj interno (IPC). Un computador cuántico de n qubits podría realizar 22²ⁿ operaciones por ciclo. Es decir, para 10 qubits podría realizar 1 millón de operaciones en paralelo y para 20, la cantidad asciende a 1 billón de operaciones simultáneas.

Curiosidad: Para medir el rendimiento de un procesador, las métricas más comunes son el número de instrucciones por ciclo de reloj (IPC) y el número de ciclos de reloj que consume cada instrucción del procesador (CPI). La primera está relacionada con las operaciones por segundo que puede realizar un computador (FLOP), la métrica principal del ranking más famoso en Supercomputación: el Top500.

En tercer lugar, está la capacidad de almacenamiento de información. En un computador digital de n bits, se puede almacenar sólo un valor de entre 2ⁿ posibles. Un computador cuántico de n qubits, teóricamente, puede almacenar 2ⁿ valores posibles simultáneamente.

Con 8 bits, tendremos un byte en almacenamiento clásico. Para 8 qubits, el almacenamiento cuántico es de 32 bytes. Hasta aquí no parece muy sorprendente, pero sigamos. Con 32 bits, tendremos 4 bytes en almacenamiento clásico, pero si tenemos 32 qubits, disponemos de 536.870.912 valores distintos, esto equivale a más de 500 millones de bytes (o Megabytes, MB). Esto ya empieza a asombrarnos, pero dupliquemos ese valor: si contamos con 64 bits, en un modelo clásico sólo contaremos con 8 bytes. Sin embargo, su equivalente cuántico, podría almacenar más de 2x10¹⁸ valores diferentes, es decir, 2 trillones de valores posibles (o 2 Exabytes, EB)

Otro tema muy distinto es ser capaz de explotar esta capacidad teórica para una aplicación práctica. Pero no vamos a entrar en ese detalle por el momento.

Y, en último lugar, pero no por ello menos importante, el atractivo de estos sistemas reside en que abren las puertas a posibles avances revolucionarios con multitud de posibilidades, como consecuencia de algunos de los fenómenos cuánticos en los que se basan. Por ejemplo, la teleportación derivada del entrelazamiento cuántico, que explicaremos más adelante, está permitiendo avances significativos en sistemas y tecnologías de telecomunicaciones. Y este es sólo un ejemplo. Hay infinidad de ellos. Al final de esta serie de artículos, desarrollaremos algunas aplicaciones prácticas de la computación cuántica.

Entendiendo el computador cuántico

Para entender cómo funciona un computador cuántico y los diferentes tipos que se han construido hasta el momento, tenemos que explicar algunos conceptos fundamentales que, lamentablemente, son algo complejos, porque se oponen a cómo percibimos el mundo que nos rodea. En cualquier caso, hemos procurado exponerlos aquí de la manera más sencilla posible.

Los conceptos que vamos a introducir en este artículo son:

• El qubit como unidad básica de información
• Superposición cuántica
• Entrelazamiento cuántico
• Efecto túnel

Dejaremos para sucesivos artículos el resumir cómo se programa un computador cuántico, introducir el problema de la optimización y mencionar los modelos de Ising y el recocido cuántico (quantum annealing en inglés), conceptos clave, estos últimos, para entender un tipo específico de computadores cuánticos, que están demostrando su capacidad para resolver problemas altamente complejos con soluciones comerciales.

Empecemos por explicar el Qubit.

El qbit como unidad básica de información

En computación cuántica la unidad básica de información es el qubit, que es el equivalente cuántico al bit digital, y que puede tener los valores: 0, 1 ó una combinación lineal de 0 y 1. Cuando esto ocurre decimos que el qubit está en una superposición de los estados 0 y 1. De la superposición de estados hablaremos más adelante, pero ¿Cómo puede ser que un valor sea 0, 1 ó una combinación de 0 y 1? Pues imaginemos la analogía con una puerta (que es una analogía bien traída por su relación con los transistores y las puertas lógicas de las que hablamos en artículo anterior)

Imaginemos una habitación que tiene una puerta que da a otra estancia y que está dotada de un resorte mecanizado que nos permite controlar su apertura y cierre con un mando a distancia. El mando tiene dos botones: abrir y cerrar.

Si pulsamos el botón de abrir y salimos de la habitación, sabemos que al volver, estará abierta. Si pulsamos el botón de cerrar, sabemos que cuando regresemos estará cerrada. Podemos entrar y salir de la habitación cuantas veces queramos, y siempre encontraremos los mismos resultados. Estemos o no mirando a la puerta, cuando pulsemos cada botón, la puerta se abrirá o cerrará de acuerdo a lo esperado. No necesitamos entrar a la habitación para saber cómo está la puerta, si hemos pulsado previamente un determinado botón en el control remoto, porque la puerta estará en el estado correspondiente.

Esto es una puerta clásica, la que estamos acostumbrados a ver en el mundo que percibimos.

Supongamos ahora que tenemos una puerta cuántica, una “qu-puerta”, y que tenemos un mando a distancia cuántico, un “qu-mando”. Este mando es ligeramente diferente. En este caso tenemos un botón deslizante, como un control de intensidad, que si desplazamos completamente hacia arriba abrirá la puerta y si lo hacemos hacia abajo, la cerrará.

Si salimos de la habitación con el mando y deslizamos el botón completamente hacia arriba o hacia abajo, y luego volvemos a la habitación, encontraremos la puerta como esperamos, abierta o cerrada respectivamente. Todo funciona como una puerta clásica.

Volvamos a salir de la habitación. Ahora deslizamos el botón hacia una posición intermedia. La intuición nos dirá que la puerta estará entreabierta, más o menos, según hayamos deslizado el botón más hacia arriba, la posición de abrir, o hacia abajo, la posición de cerrar.

Pero tenemos una puerta y un mando cuánticos, y en el mundo cuántico pasan cosas muy, muy raras. Fundamentalmente cuando no lo observamos.

Si volvemos a la habitación, veremos que la puerta está abierta o cerrada, pero no entreabierta, y si miramos al mando, veremos que este se ha movido mágicamente hacia la posición de arriba o de abajo. Esto ya no es tan normal. Pero tenemos una idea: hagamos lo mismo, pero manteniendo nuestro pulgar sobre el botón deslizante, cerca de la parte superior, pero no completamente arriba. Volvemos a la habitación y veremos que la puerta está abierta y nuestro dedo ha sido arrastrado por el botón deslizante, que se ha movido hacia arriba como si una fuerza lo impulsara hacia allí.

Lo que las reglas de la mecánica cuántica nos dicen que está pasando, es que cuando no estamos mirando la puerta y deslizamos el botón del mando hacia una posición que no sea los extremos (arriba o abajo), la puerta estará en una superposición de abierta/cerrada, no estará abierta ni cerrada, pero tampoco estará entreabierta. Sólo cuando entremos en la habitación y miremos la puerta, la veremos en uno de los dos estados: abierta o cerrada.

En este caso, ¿qué sentido tiene el disponer de un botón deslizante? porque, mientras deslizamos el botón apartándolo de los extremos, lo que manejamos es la probabilidad de que la puerta esté abierta o cerrada. Cuanto más deslizamos el botón hacia arriba, más probable es que, cuando miremos, la puerta esté abierta y, cuando lo deslizamos más hacia abajo, será más probable, que cuando miremos, veamos la puerta cerrada.

¿Y si ponemos una cámara en la habitación y observamos la puerta desde otro lugar? Pues en este caso, la puerta volvería a comportarse como describíamos al principio: sólo podremos deslizar el botón completamente hacia arriba o hacia abajo, otras posiciones del botón deslizante, no serán posibles.

Otra forma (la más sencilla e intuitiva que conozco), de entender el qubit y los efectos de la mecánica cuántica, es el experimento de lanzar una  moneda al aire. Pese a que esta experiencia podría describirse teóricamente con las reglas de la mecánica clásica, y podríamos conocer el resultado si pudiésemos describir con total precisión la geometría de la moneda y las fuerzas a las que se somete, en la práctica esto es tremendamente complicado y para nosotros el resultado es aleatorio. A efectos prácticos, el resultado, cara o cruz de la moneda, sólo se manifiesta cuando caen la moneda. Mientras la moneda está en el aire, se encuentra en un estado simultáneo de cara y cruz o en una superposición de sus dos posibles estados: cara y cruz.

Por lo tanto, sólo cuando observamos la moneda sobre el suelo, la realidad, cara o cruz, se manifiesta. Su estado colapsa a uno de los dos posibles y no a ningún otro. Esto es lo que postula la interpretación más comunmente aceptada de la mecánica cuántica (o interpretación de Copenaghe): la observación hace colapsar un estado indeterminado en un estado concreto.

Otra forma de interpretar esto es que, dado que cualquier acto de medir altera el estado de la moneda, lo único que podemos aspirar a conocer sobre la realidad de la moneda es el estado resultante de la interacción de la moneda con el suelo o, en el caso de un sistema cuántico, coniocer la realidad del estado cuantico de la interacción de la particula cuántica con el dispositivo de medida que empleemos. Y esto es lo que los experimentos han demostrado sin ningún tipo de duda hasta el momento. 

La magia que resulta de todo esto es que el computador cuántico nos permite actuar sobre la forma en que lanzamos la moneda, y actuar sobre ella mientras permanece en el aire, para utilizar esas características con efectos prácticos en la realización de cálculos o resolución de problemas.

Representación del qubit

Un qubit es un sistema cuántico de dos estados. En el artículo "|QC-6> La mesa está puesta", explicaremos cómo se construye tal sistema cuántico y entenderemos las diferentes formas de implementar físicamente un qubit pero, por ahora, seguiremos con la explicación de los conceptos. 

Todo sistema cuántico se representa por una función matemática llamada función de onda o función de estado, que representa el estado de dicho sistema (cuya evolución temporal no relativista se rige por la famosa ecuación de Schrödinger), y que se suele representar por la letra griega psi (ψ). Esta función es una función vectorial, luego sus valores son vectores y estos se pueden representar dentro de una esfera de radio unidad llamada esfera de Bloch. Esta representación facilita la visualización del estado cuántico o vector de estado, como un vector dentro de dicha esfera. Las proyecciones sobre el eje Z, serían los valores posibles del qubit y se representan habitualmente como |0> y |1> por similitud con su equivalente clásico, el bit. Esta notación, que es común en el dominio de la cuántica, viene heredada de la notación de Dirac, empleada para simplificar la representación de funciones de onda.

En mucha literatura sobre computación cuántica se dice que el qubit puede tener los valores |0> y |1> simultáneamente. Esto estrictamente no es cierto, porque decir que el qubit tiene un determinado valor implica necesariamente que lo hemos medido y esa es una de las peculiaridades de la mecánica cuántica: el hecho de medir hace que el valor sea uno de los dos posibles: |0> o |1>. Mientras no midamos su valor, el qubit podría tener un valor que es una combinación de |0> y |1>, pero no tendrá ningún valor concreto. ¿Y qué importa el valor que podría tener, si cuando lo medimos sólo dos valores son posibles? Pues mucho, porque podemos actuar sobre el qubit de múltiples formas, antes de medir o leer su valor, y esto es una de las peculiaridades que hace del computador cuántico una herramienta de gran potencial.

Los qubits tienen otras propiedades muy interesantes. Una de ellas muy peculiar, es que no se pueden copiar. Esto es muy interesante cuando pensamos en aplicaciones relacionadas con la privacidad de los datos, pero resulta un problema cuando queremos minimizar los errores de cálculo.

Es complejo. Si. Pero así es el mundo en que vivimos, y miles de experimentos lo han demostrado en los últimos 40 años…. al menos por el momento. En un artículo de mi serie "¿Qué es?", hablaré sobre la realidad y profundizaré en este tema que se adentra en el dominio de la metafísica. Lo que debemos aceptar por el momento, es que la realidad descrita por la mecánica cuántica es la que, por el momento, más se acerca a la verdad de cómo está construido el mundo en que vivimos. Lo realmente raro no es esto, lo raro es cómo creemos ver el mundo, por cómo funciona nuestra mente procesa e interpreta la información que le llega de nuestros sentidos, que tienen una sensibilidad concreta que nos hace percibir el mundo cómo lo percibimos.

Más adelante volveremos sobre este tema cuando tratemos la superposición cuántica pero ahora, hagamos un punto y aparte con esta información básica sobre el qubit, y pasemos a ver cómo se implementa físicamente.

La superposición cuántica

Como hemos mencionado antes, los qubit pueden tener un valor 0, 1 o una combinación lineal de 0 y 1. Este último es el estado más probable de una partícula cuántica aislada. Lo curioso de esto, es que no podemos saber a priori si la partícula tiene un valor u otro. Es cuando medimos, como hemos dicho antes, que el sistema colapsa en un determinado valor. Esta forma de interpretar la mecánica cuántica es el modelo más ortodoxo o también conocido como interpretación de Copenhague (formulada por el físico Niels Bohr en 1927). Hay otras interpretaciones posibles, pero no vamos a entrar en ellas.

El que una partícula cuántica pueda estar en cualquier estado posible, da lugar a paradojas difíciles de entender, porque no tienen equivalencia en el mundo macroscópico que observamos. Paradojas como la del experimento mental del gato de Schrödinger de la que, seguramente, habréis oído hablar. Este experimento mental presenta un gato hipotético, encerrado en una caja opaca completamente y aislada del exterior. La caja tiene un matraz con veneno y un dispositivo con una partícula radiactiva. Si el dispositivo detecta radiación libera un martillo que rompe el frasco, liberando el veneno y matando al gato. Según la interpretación de Copenhague, después de un tiempo, el gato está al mismo tiempo vivo y muerto, es decir, está en​ un estado de superposición cuántica, ya que está vinculado a un evento subatómico aleatorio que puede ocurrir o no, y sólo cuando abramos la caja, veremos si el gato está vivo o muerto. Esta paradoja fue fruto de acaloradas discusiones entre Schrödinger y Einstein.

Pero también hay situaciones observables que son difíciles de entender, e imposibles de explicar, si sólo vemos el mundo según las reglas de la mecánica clásica regida por las leyes de Newton. Uno de estos sucesos es el experimento de la doble rendija, o experimento de Young, que se puede reproducir en cualquier laboratorio, incluso en vuestra propia casa. ¡¡Tenemos aquí un nuevo TikTok challenge!!

Bromas aparte, este experimento, que fue diseñado por el científico inglés Thomas Young en 1801 para discernir la naturaleza ondulatoria o corpuscular de la luz, se ha convertido en una experiencia fundamental para demostrar una característica del mundo cuántico, como lo es la dualidad onda-corpúsculo de la luz y de otras partículas subatómicas como los protones, los neutrones o los electrones.

Muchos experimentos (como el efecto fotoeléctrico y la producción de rayos X), ya habían “demostrado” la naturaleza corpuscular de la luz, es decir, que la luz estaba compuesta de partículas de energía, a las que se les denominó fotones. Si eso fuera siempre así, el experimento de Young debería mostrar en la pantalla un patrón similar a la figura de la izquierda en la imagen siguiente, sin embargo, lo que se obtiene en el experimento es la que aparece a la derecha, que solo es explicable como un patrón de interferencia de una onda. Luego la luz, según este experimento, debería ser una onda.

La realidad es que no es ninguna de las dos cosas, o quizás ambas a la vez.

Los objetos macroscópicos están formados por miles de millones de átomos, pero estos átomos no se comportan como los objetos macroscópicos que estamos acostumbrados a ver en el mundo real, en los que algunos se comportan como partículas (una pelota o la manzana de Newton) y otras como ondas (como la luz, el sonido o las ondas que se producen en un lago al lanzar una piedra), y todos cumplen las leyes de la física clásica, las leyes de la mecánica de Newton. En esencia, la materia es, y se comporta, de forma diferente a cómo la percibimos.

En resumen, este experimento es capaz de desvelar dos de las más grandes y desconcertantes verdades de la naturaleza cuántica de la materia:

1. A escala subatómica las partículas tienen un comportamiento dual. Es decir, la materia se comporta como una onda o como una partícula.
2. El hecho de observar o no el experimento, hace que la materia se comporte como una onda o como una partícula.

Los átomos, partículas subatómicas y los fotones, no tienen equivalencia en el mundo macroscópico. Son algo diferente, que bajo determinadas circunstancias se comportan como ondas y bajo otras como partículas. ¿Cómo se puede comprender esto? Pues hay una forma muy fácil de visualizarlo. Imaginad que vivimos en un mundo en el sólo existen dos estados de la materia: el sólido y el gaseoso. ¿Cómo podrías explicar un material que presenta algunas características de los sólidos, pero también otras de los gases? ¡No podríamos explicar qué es el agua o cualquier líquido! Pero que no sepamos explicarlo, o entenderlo, no implica que no exista, que no sea real.

El entrelazamiento cuántico

Otra propiedad característica de los sistemas cuánticos es el entrelazamiento. Agarraos a vuestras sillas porque vienen curvas…

Este es uno de los fenómenos más complejos de explicar y más contrarios a nuestra percepción del mundo real macroscópico. Además es un concepto con el que Einstein nunca estuvo de acuerdo. Fue objeto de controvertidas discusiones en la comunidad científica y aún lo sigue siendo.

El entrelazamiento es un fenómeno cuántico, sin equivalente clásico, en el cual los estados cuánticos de dos o más objetos se describen mediante un estado único que involucra a todos los objetos del sistema, aun cuando los objetos estén separados espacialmente incluso a distancias enormes. Esto da lugar a correlaciones entre las propiedades físicas observables. Por ejemplo, es posible preparar (enlazar) dos partículas en un solo estado cuántico de espín nulo, de forma que cuando se observe que una gira hacia arriba, la otra automáticamente recibirá una «señal» y se mostrará como girando hacia abajo. Y esto sería así aunque las partículas estuvieran cada una en un extremo del universo conocido.

Esas fuertes correlaciones hacen que las medidas realizadas sobre un sistema, parezcan estar influyendo instantáneamente en otros sistemas que están entrelazados con él, y sugieren que alguna influencia se tendría que estar propagando instantáneamente entre los sistemas, a pesar de la separación entre ellos.

No obstante, no parece que se pueda transmitir información clásica a velocidad superior a la de la luz mediante el entrelazamiento, porque no se puede transmitir ninguna información útil a más velocidad que la de la luz. Sólo es posible la transmisión de información usando un conjunto de estados entrelazados en conjugación con un canal de información clásico. Pero, por necesitar de ese canal clásico, la información útil no podrá superar la velocidad de la luz. Este fenómeno se ha denominado teleportación cuántica.

El entrelazamiento es la base de tecnologías en fase de desarrollo como la criptografía cuántica, y se ha utilizado en experimentos de teleportación cuántica. En esencia, esta propiedad parece que podría permitir velocidades mayores a la luz y violar el pricipio de causalidad (por el que las causas preceden a los efectos), lo cual entraría en contradicción, a parte de las paradojas temporales, con la relatividad general. Teorías actuales como la del superdeterminismo, le darían la razón a Einstein y convertirían nuestro universo en algo determinista desde su formación, pero para muchos científicos esto no resulta plausible. Por el momento, como mencionamos en el primer artículo de esta serie (|QC-1> El mundo de las cosas chiquititas), desde 1982, fecha en que un físico francés demostró con el experimento descrito por Bell en su teoría de la desigualdad, que Bohr tenía razón; la superposición cuántica es posible y funciona como lo hemos descrito.

En cualquier caso este es un tema apasionante que trasciende la ciencia y la tecnología para entrar en el dominio de la filosofía.

¿No has entendido nada? No te preocupes, los científicos tampoco lo tienen absolutamente claro. El entrelazamiento puede ser reproducido en laboratorios, pero aún no se comprende del todo cómo se produce. Podríamos resumir todo esto en dos ideas simples aunque no muy precisas:

1. Con el entrelazamiento, varios qubits operarían como un único sistema y no como sistemas independientes.
2. Si medimos el estado, o valor, de uno de dos qubits entrelazados, automáticamente sabríamos el estado, o valor, del otro.

El efecto túnel

Otra propiedad fundamental que debemos conocer, para entender ciertas características de los computadores cuánticos, es el efecto túnel. Este es un efecto muy curioso, que también se opone a nuestra percepción del mundo macroscópico, y que sin embargo ha sido demostrado en miles de experimentos, es explicado por las reglas de la mecánica cuántica y tiene innumerables aplicaciones prácticas.

Para ilustrar el efecto túnel, imaginemos una bola maciza que dejamos caer sobre el borde interior de un recipiente semiesférico grande, alineado con otro más pequeño.

Si la energía de la bola no es suficiente, es decir, si no la dejamos caer desde muy alto, la bola oscila dentro del primer recipiente sin pasar al segundo. Por otro lado, si la energía potencial de la bola es la suficiente, a partir de una determinada altura, al dejar caer la bola, ésta pasará al segundo recipiente, donde se deslizará por sus paredes hasta detenerse en el fondo. Eso es lo que observamos en el mundo real macroscópico y lo que esperaríamos encontrar en el microscópico. Pero no es así. En el mundo microscópico, bajo determinadas circunstancias, la bola acabará en el recipiente pequeño, aunque no la hayamos dejado caer desde la altura necesaria para ello. Es como si atravesase la separación entre ambos recipientes, como si crease un túnel entre ellos y se desplazara a través de él. Realmente no hay tal túnel, es la explicación que le damos a un resultado matemático que predice que existe una probabilidad no nula de que la partícula aparezca al otro lado de la barrera de potencial, y que los experimentos confirman que así es.

Como hemos dicho anteriormente, este fenómeno es compatible con las leyes de la mecánica cuántica y, no solo ha sido probado infinidad de veces en el laboratorio, sino que existen un gran número de aplicaciones prácticas de dispositivos basados en este efecto. Por poner un ejemplo muy cotidiano, podemos encontrar diodos de efecto túnel en casi cualquier sintonizador de TV. Pero, en general, la mayor parte de la electrónica moderna tiene su base en el efecto túnel.

Este es un fenómeno cuántico cuyas consecuencias las vemos en el mundo clásico digital. Como mencionamos en el artículo anterior, la miniaturización de componentes electrónicos ha llegado a un punto tal, en el que las distancias entre componentes son tan pequeñas que se puede percibir el efecto túnel entre ellos, por lo que es necesario tener en cuenta las reglas de la mecánica cuántica a la hora de diseñar microchips. También es una propiedad fundamental a la hora de fabricar procesadores cuánticos basados en superconductividad, que es una de las formas más comunes actualmente de implementación física de los qubits.

La explicación física simplificada de este fenómeno no es muy compleja. En esencia consiste en que la función de onda de una partícula, que se enfrenta a una barrera de potencial, tiene una determinada probabilidad no nula de atravesar la barrera, aún no teniendo la energía suficiente para superarla, cuando la anchura de esta barrera es suficientemente estrecha. Una explicación física muy didáctica la puedes encontrar en este artículo de El blog de Ciencia de Mariana Toledano Diaz.

Con lo visto hasta ahora, estamos en disposición de entender cómo se puede construir un computador cuántico y qué fenómenos determinan las reglas rigen su funcionamiento. Ya estamos en disposición de entender qué podemos hacer con él, o al menos con un tipo de computadores cuánticos generalistas que se basan en el equivalente a las puertas lógicas que vimos en el artículo sobre computación digital. Hay otro tipo de computadores cuánticos que sólo pueden resolver problemas de optimización combinatoria, pero para eso tenemos que introducir teóricamente la optimización antes de explicar cómo los fenómenos cuánticos son capaces de ayudar en este campo… Todo a su tiempo.

En el siguiente artículo de esta serie, “|QC-4> Encendiendo los fogones”, hablaremos de la programación de un computador cuántico generalista.

Otros artículos de esta serie:

• |QC-1> El mundo de las cosas chiquititas
• |QC-2> Von Neumann abre la puerta a Mr. Bit
• |QC-3> Todo es ahora muy distinto
• |QC-4> Encendiendo los fogones
• |QC-5> Puchero de átomos
• |QC-6> La mesa está puesta
• |QC-7> ¿Qué hay de postre?