Una computadora cuántica es un nuevo tipo de computadora. Las computadoras normales almacenan memoria en bits: 0s y 1s. Las computadoras cuánticas almacenan memoria en qubits: arriba, abajo, de lado y en cualquier dirección intermedia (guía completa aquí). Este es un idioma totalmente nuevo para la computación, y resulta ser mucho más poderoso para algunas tareas.
Entonces, ¿qué pueden hacer exactamente las computadoras cuánticas? Encontramos nuevas aplicaciones cada mes. Las tres con más impacto hoy son:
- 1
Química
La fábrica química computacional
Diseña nuevas moléculas en minutos en vez de milenios.
- 2
Seguridad
El descifrador global
Todos los protocolos seguros de internet están en riesgo.
- 3
Optimización
El optimizador de negocios en vivo
Resuelve los problemas de planificación imposibles.
La fábrica química computacional
Si le pidiéramos a una IA que invente una nueva aleación de la era espacial, más ligera que el aire, más fuerte que el acero y de un rosa intenso, podría devolvernos una fórmula química en veinte segundos.
Sin embargo, verificar que es correcta es el problema. En computadoras clásicas, verificar las propiedades de un material es un problema exponencial, lo que significa que puede llevar años incluso para moléculas de tamaño medio. Es tan difícil que la molécula más grande jamás resuelta exactamente es el benceno (C6H6), que ni siquiera es una molécula muy grande. Cada átomo que añades aumenta la complejidad de forma exponencial.
Por qué es tan difícil
Para determinar las propiedades de una molécula, necesitas su estructura electrónica: cómo están distribuidos los electrones alrededor de los átomos.
Toma un ejemplo concreto: los OLED azules. Las moléculas OLED son las que iluminan los píxeles individuales de la pantalla de tu teléfono. Pasa una corriente eléctrica por ellas y emiten luz a una longitud de onda específica.
Las azules son famosamente ineficientes. Se desgastan más rápido que las rojas y verdes, por eso las pantallas de los teléfonos se atenúan y cambian de color con el tiempo. Así que si un químico propone una nueva molécula que emita luz azul limpia, queremos verificarla antes de comprometernos con la fabricación.
Para predecir el color de la luz que emite la molécula, o su eficiencia, tienes que predecir todas las configuraciones posibles de sus electrones y la probabilidad de cada una.
Abajo se muestran ejemplos de configuraciones electrónicas. Cada “mancha” es una región donde es probable encontrar electrones.
¿Por qué es tan lento? Los electrones encajan como piezas de un rompecabezas. Se repelen entre sí, así que cuando uno se acerca a un núcleo, otro tiene que alejarse. Encontrar la configuración más estable significa probar una cantidad abrumadora de disposiciones y comprobar cuáles no aprietan demasiado a los electrones entre sí.
Los físicos llevan décadas trabajando en esto. Se han concedido varios premios Nobel por aceleraciones incrementales. Aun así, ningún algoritmo lo resuelve para moléculas con más de ~20 átomos cuando hay aunque sea un elemento pesado (los elementos más pesados como el plomo tienen más electrones, así que el espacio de búsqueda explota).
¿Y si pudiéramos?
Si esto no fuera tan lento, podríamos construir una fábrica química computacional: probar miles de millones de moléculas candidatas al día y encontrar las mejores.
🔋
Baterías que duran una década
🛣️
Carreteras que nunca se agrietan
☀️
Protector solar sin el riesgo de cáncer
Este es el mundo en el que quiero vivir. Por desgracia, en computadoras clásicas no puede pasar. Esos cálculos genuinamente tardan demasiado.
Las computadoras cuánticas pueden probar configuraciones electrónicas exponencialmente más rápido que las computadoras normales. Harán posible la fábrica química computacional. Esta es una oportunidad de billones de dólares.
El descifrador global
Internet es seguro porque ciframos el tráfico entre dispositivos. Una gran parte de ese cifrado se basa en un protocolo llamado RSA.
Todo algoritmo de cifrado depende de algunas suposiciones. La mayoría de las suposiciones de RSA están bien. Excepto una:
La suposición
Factorizar un número de 2048 bits en sus dos factores primos lleva ~1015 años (un cuatrillón de años) en el mejor algoritmo clásico ejecutándose en la supercomputadora más rápida que la humanidad ha construido. Eso es unas 70.000 veces la edad del universo.
Resulta que las computadoras cuánticas pueden factorizar esos números fácilmente. Así que las computadoras cuánticas pueden descifrar el tráfico de internet.
Pueden romper más que eso. Cuando descargas software, tu computadora comprueba que esté firmado por un desarrollador conocido como Microsoft, Adobe o Apple. Esa comprobación de firma también depende de que factorizar sea inviable. Cualquiera con una computadora cuántica suficientemente grande puede firmar software haciéndose pasar por Microsoft, y tu máquina confiará en él. La misma amenaza vale para firma de código, certificados bancarios, claves de VPN, acceso SSH y la mayoría de las garantías criptográficas en las que no piensas a diario.
Esta es una preocupación de seguridad mundial real y activa. Muchas empresas están migrando a la criptografía poscuántica: algoritmos diseñados para resistir ataques cuánticos. Algunas se mueven rápido. La mayoría no se mueve lo bastante rápido.
El optimizador de negocios en vivo(potencialmente)
Las empresas son extremadamente ineficientes. Las más avanzadas usan algoritmos de optimización para asignar mejor los recursos. Algunos ejemplos:
- Las firmas de inversión usan optimización de carteras para decidir dónde poner el dinero.
- Las empresas de hardware convierten sus cadenas de suministro en problemas de optimización.
- Las empresas de transporte resuelven problemas de rutas y horarios para mantener contentos a sus clientes (y, más a menudo, ahorrar dinero).
La mayoría de estas optimizaciones tardan días, a veces años. No puedes hacerlas en vivo. De hecho, la mayoría de las empresas ni siquiera espera a que terminen. Las cortan tras un tiempo fijo y envían la mejor respuesta que tuvieran en ese momento. Eso deja dinero sobre la mesa.
La advertencia honesta
Las computadoras cuánticas podrían ser capaces de hacer optimización significativamente más rápido. Pero no hay garantías. Ese es el problema de este campo: es casi imposible probar que un método de optimización es mejor antes de probarlo realmente en hardware. La mayoría de los investigadores creen que tenemos que esperar a computadoras cuánticas más grandes para ver si esto da resultado.
Qué sigue
La computación cuántica todavía tiene un largo camino por recorrer. Pero trae consigo la fábrica química computacional, el descifrador global y el optimizador de negocios en vivo.
¿Serás tú quien le dé vida?