Hace cuatro años escribí un artículo sobre el cambio climático porque pensaba que era un tema de actualidad. Ha pasado el tiempo y hoy sigo viéndolo, en todos los medios y con cierta perplejidad, como explicación casi universal de muchos de los males de nuestra sociedad. Por eso he vuelto a aquel texto, para comprobar cómo ha envejecido. Nunca escribo para convencer a nadie de nada. Tampoco para llevar la contraria por sistema. Escribo porque, en medio de tanto ruido, tengo la sensación de que hemos dejado de detenernos a pensar. Vivimos en una sociedad cada vez más polarizada, casi de trincheras. Cuando no te posicionas con uno de los bandos, te colocan automáticamente en el contrario. Hemos trasladado el forofismo de los derbis deportivos a la vida cotidiana: eres de los nuestros o eres de los suyos. Y el cambio climático no podía ser una excepción. Ocupa hoy un lugar central en el debate público. Se habla de él en medios, instituciones y conversaciones cotidianas. Se plantea...
FÍSICA Y COMPUTACIÓN CUÁNTICA. LOS ORDENADORES QUE CAMBIARÁN TODO.
Todos sabemos que la velocidad media en un desplazamiento es el espacio recorrido por un cuerpo, dividido entre el tiempo transcurrido. Se trata de una fórmula básica de la asignatura de física. Otras fórmulas como las de la aceleración, fuerza, trabajo, potencia, etc, nos suenan a todos y forman parte de nuestra educación básica en esa asignatura. Se trata de magnitudes con las que trabajamos a diario, y su estudio forma parte de la llamada mecánica o física clásica. Es la parte de la física que estudia y define las leyes del comportamiento de los cuerpos y objetos que nos rodean, del mundo que conocemos, que llamamos macroscópico, y que para todos nosotros es algo tremendamente intuitivo.
Sería el físico teórico Max Planck (Alemania 23/04/1858) quien a principios del siglo XX postularía las bases de lo que hoy es la rama de la física que denominamos mecánica cuántica, y que estudia el comportamiento de la naturaleza a escala atómica y subatómica. La mecánica clásica era incapaz de explicar ciertos fenómenos que se dan en la naturaleza como pueden ser las radiaciones. Decir que poco antes, otro físico alemán, Albert Einstein (14/03/1879) había publicado su famosa teoría de la Relatividad, y pese a ser una de las mentes más brillantes que hemos conocido, nunca aceptó de buen grado la mecánica cuántica. Se sentía incómodo con planteamientos como el hecho de no poder establecer la posición de las partículas y tener que trabajar sobre la aleatoriedad de las mismas.
La mecánica cuántica ha avanzado mucho desde entonces. Se ha logrado demostrar la existencia de nuevas partículas y todavía se sigue teorizando sobre nuevas hipótesis que puedan explicar algunos comportamientos a esa escala. Hoy en día contamos con herramientas como el acelerador de partículas del CERN (Consejo Europeo de Investigación Nuclear con siglas en francés) cuyo coste superó los 20.000 millones de €uros, y que ha resultado ser vital en los últimos descubrimientos.
Pero si en los últimos años se ha logrado un gran avance teórico en física cuántica, a nivel experimental se están logrando avances hasta hace poco inimaginables. En estos momentos se está librando una batalla sin cuartel entre todas las grandes potencias mundiales por conseguir la "supremacía cuántica" Todos ellos son conscientes de la importancia de desarrollar el primer ordenador cuántico estable. Hay prototipos. Se han realizado ensayos prometedores. Incluso hay un proyecto de IBM de ordenador cuántico en servicio y conectado en la red donde cualquiera de nosotros podemos probar nuestras rutinas, pero la construcción de un ordenador de estas características requiere resolver problemas tecnológicos muy complejos. Entre otras cosas, esos computadores deben de trabajar en el vacío y a temperaturas cercanas al cero absoluto. -273ºC.
En la actualidad todo el mundo estamos familiarizados con la electrónica digital. Mucho ha llovido desde que en la antigua Grecia, Thales de Mileo (Siglo VI a.C.) observara como al frotar un trozo de ámbar, este era capaz de atraer pequeñas partículas. Es la primera referencia constatada sobre un fenómeno físico al que llamamos electricidad.
En el siglo XVII se pasaría de la teoría a la práctica con varios experimentos de la época. Uno de ellos sería el del físico alemán Otto Von Guericke, quien construyó un artefacto capaz de generar electricidad estática. Más tarde, en 1835, el inglés Michael Faraday construiría el primer generador eléctrico, pero no fue hasta la llamada "Batalla de las corrientes" a finales del siglo XIX cuando realmente, y tras imponerse la corriente alterna como sistema de transmisión energética, que la electricidad tomaría especial relevancia en las sociedades modernas. Para quien no hayan oído nunca nada sobre el tema, invito a documentarse un poco porque realmente se trata de una historia fascinante. Especial mención merece Nikola Tesla. Una de las mentes más brillantes de todos los tiempos. (Más adelante escribiré sobre este auténtico genio al que la sociedad de su tiempo no supo agradecer su contribución a su desarrollo)
La electricidad supuso una auténtica revolución y una gran mejora de nuestras condiciones de vida, pero su uso no era exclusivamente para realizar trabajo. Lo que es considerado un uso para Potencia. Inventos como el telégrafo supusieron un gran avance en las comunicaciones. A finales del siglo XIX nuevas aplicaciones en ese campo serían el germen de lo que conocemos como electrónica analógica. Aquella rama de la electricidad que estudia sistemas cuyas señales son variables continuas y con un alto grado de implementación en campos como, por ejemplo, el de las Telecomunicaciones. Desde la década de los 70 del siglo XX, la electrónica analógica ha perdido un protagonismo que ha cedido a la electrónica digital. No obstante, la electrónica analógica está recobrando importancia por las limitaciones físicas que supone la miniaturización de los circuitos digitales. Campos como la Inteligencia Artificial requieren sistemas de redes neuronales artificiales que perfectamente se pueden construir a partir de la tecnología analógica. Sin embargo, la electrónica digital (rama de la electrónica que estudia sistemas cuyas señales son variables discretas) ha sido la responsable del "boom" tecnológico del Silicon Valley con la popularización de computadores y dispositivos de telefonía móviles.
Tanto la electricidad como la electrónica (analógica y digital), son ramas de la física clásica. Hemos llegado a un límite en el cual es imposible seguir reduciendo el tamaño de los circuitos integrados que configuran nuestros equipos. En 1965, Gordon Moore vaticinó que cada año se duplicaría el número de transistores en un circuito integrado. Años más tarde corrigió su afirmación y predijo que el ritmo sería menor. Se duplicarían cada dos años. Es lo que conocemos como Ley de Moore. El caso es que se ha llegado a un punto donde el tamaño de los transistores no se puede reducir más. Nos estamos acercando a la escala atómica. Solo hay dos caminos para seguir desarrollando nuestros computadores. La optimización de los diseños y el cambio de tecnología. Esto último es lo que supone la computación cuántica. Una auténtica revolución en el desarrollo de una nueva tecnología.
Ahora viene lo interesante. ¿Cómo explicar algo tan sumamente contraintuitivo, y que reconozco que no acabo de comprender? Siendo honestos, me limitaré a hablar de lo que entiendo y trataré de revisar esta entrada en un futuro, espero que no muy lejano, cuando logre descifrar aspectos que todavía estoy tratando de discernir...
El caso es que todos hemos visto alguna vez el modelo atómico de Bohr. Aquel dibujo que representaba un átomo con un núcleo y uno o varios electrones orbitando a su alrededor, a diferentes distancias del mismo en función de la energía almacenada (por los propios electrones) Ahora sabemos que ese modelo no se corresponde con la realidad. Sirvió en su día para explicar un concepto del que apenas se tenían conocimientos, pero en realidad, los electrones no se mueven en órbitas fijas. Es más, y esto lo extraordinario, según el principio de superposición cuántica, los electrones pueden estar en varios lugares a la vez, dentro del área de influencia del átomo a que pertenecen.
La electrónica digital se basa en el álgebra de Boole. Operaciones lógicas en base a dos estados posibles complementarios. Activo o inactivo, uno o cero. Con esta condición de partida, definimos un bit como la unidad más elemental en sistemas de almacenamiento de la información, y dado que solo puede tener dos valores, la cantidad de información que podemos manejar en un sistema binario, en función del número de bits, será de 2 elevado a ese número de bits. Por ejemplo, un sistema de 4 bits (2^4) podrá representar 16 estados diferentes. Del 0 a 15. Un sistema de 8 bits (2^8) representará 256, del 0 al 255, y así sucesivamente siguiendo una fórmula matemática exponencial en base 2.
En cuanto a las operaciones que podemos realizar en este sistema son muy básicas. Contamos con las llamadas puertas "lógicas" que operan con estos bits y que son la negación (NOT) la suma (OR), la multiplicación (AND), la suma exclusiva (XOR) y cualquier combinación que se nos pueda ocurrir entre ellas. Todo ello tremendamente simple y básico, y sin embargo, y parece magia, con esto tan sencillo hemos construido el mundo moderno en que vivimos. La ventaja de un ordenador clásico es la velocidad a la que es capaz de operar para, con múltiples operaciones por unidad de tiempo, que los capacitan para ejecutar programas que podemos complicar tanto como se nos ocurra, realizar cálculos en una fracción de tiempo de lo que le llevaría a un humano altamente capacitado. Una observación. con esta tecnología, se han desarrollado todos los lenguajes de programación conocidos y los sistemas de IA (Inteligencia Artificial) que ya están operando. Mucha gente ya conocerá el servicio de chat GPT gratuito que cuelga en la red al servicio de todo el mundo. Si ese servicio es gratuito y es una IA treméndamende avanzada, ¿Qué nivel de desarrollo de IA real se ha alcanzado ya? Inquieta pensarlo, ¿verdad?
Superado lo anterior, toca dar el salto. Pasamos a los Qbits. Sistemas cuánticos básicos de representación de la información. Ahora no se trata de dos estados posibles. Dado que tenemos un sistema que varía entre el uno y el cero, pudiendo estar presente en cualquier estado intermedio, vamos a trabajar con probabilidades. En algunas publicaciones hablan de tres estados (uno, cero y ambos de forma simultánea) Ese concepto es erróneo porque estaríamos hablando de un sistema trinario. Desde luego supondría un avance respecto a los sistemas binarios, pero se queda muy corto respecto de lo que representa un sistema cuántico. Estamos hablando en términos de probabilidad y eso ofrece todos los estados intermedios que podamos imaginar entre los conocidos uno y cero. El problema es que, cuando nos referimos al átomo, en cuya estructura y comportamiento se basa esta nueva tecnología, no podemos medir la posición exacta de sus electrones. Cuando intentamos realizar una medición, el sistema colapsa. Imaginemos que estamos en la más absoluta oscuridad, y que para comprobar si delante de nosotros tenemos un objeto, necesitamos proyectar un rayo de luz. Ocurre que ese objeto (electrón) es tan pequeño que la magnitud de los fotones con que queremos iluminarlo es comparable al propio objeto. Cuando ese fotón impacte contra el electrón, es posible que lo desplace, por lo que si eso ocurre, dejará de estar delante de nosotros, y eso en el supuesto de que antes si estuviese. Sería como lanzar un misil contra un automóvil y después ir a la zona a observar si hay un automóvil. Solo veríamos un cráter...
Este problema se resuelve parcialmente con las nuevas puertas u operaciones lógico-cuánticas, por medio de las cuales podemos determinar el estado anterior en nuestro sistema. Se trata de operaciones mucho más complejas que las del álgebra de Boole. Ahora utilizamos lo que se ha denominado como álgebra lineal cuántica, en fase de desarrollo y que sobre el papel, tiene el potencial de resolver problemas en cuestión de segundos, que a la computación convencional le podría llevar años.
A diferencia de los sistemas binarios, donde podemos almacenar la información de los bits por tiempo indefinido, en un sistema cuántico, (hablamos de su estado físico) no podemos retener la información más allá de una pequeñísima fracción de segundo, lo que imposibilita o complica de manera sobresaliente, a fecha de hoy, las operaciones parciales cuánticas en función de estados previos. (programas complejos)
Se trata, por tanto, de resolver aspectos físicos que permitan construir ordenadores cuánticos estables, pero es cuestión de tiempo y los avances son considerables. Estos ordenadores no van a sustituir de forma masiva a los ordenadores convencionales. Para la mayoría de trabajos cotidianos que realizamos con nuestros ordenadores domésticos o en el trabajo, no supondrán ningún tipo de ventaja. Sin embargo, hay campos donde la implementación de estos sistemas supondrán un avance comparable al del paso de la prehistoria a la edad moderna...
Qubits
(quantum bits) are the elementary processing units of a quantum
computer. The qubit is the quantum mechanical equivalent of the
conventional digital bit.
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