En la carrera hacia el aumento constante de la velocidad de las computadoras, la gigantesca industria de microprocesadores se estrella contra impedimentos físicos propios de los materiales utilizados. Por eso los científicos están abocados a buscar nuevas maneras de computar que permitan ampliar la capacidad de procesamiento hasta límites que parecían imposibles. Tareas consideradas no resolubles en tiempos razonables podrían ser develadas en pocos instantes si los científicos logran desarrollar las computadoras cuánticas.

La falta de velocidad para el procesamiento de datos no es un problema nuevo. Para solucionarlo se intenta, desde mediados de los 60, diseñar arquitecturas de hardware (modelos que indican cómo interconectar componentes, microcircuitos, la CPU, periféricos etc.) compuestas por procesadores paralelos (es decir, que ejecutan instrucciones de forma independiente) y que analizan datos de forma simultánea: sería como poner a todos los “superamigos” a trabajar al mismo tiempo, desde distintos ángulos, sobre el mismo tema. Sin embargo, hoy en día dichas computadoras paralelas son muy costosas y tienen usos muy específicos (procesamiento de imágenes, cálculos científicos, sistemas de control, etc.).

Como en muchos otros casos, la naturaleza se encarga de burlar al hombre poniendo en sus narices (o detrás de ellas, en sus cabezas) el botín inalcanzable, uno de los sistemas más antiguos y que mejor funciona: el nervioso. Los neurólogos creen que gran parte del poder expresivo del cerebro humano se debe al procesamiento simultáneo que permite la evaluación de miles de combinaciones (o posibles soluciones) al mismo tiempo y que permite resultados nuevos e imprevisibles.

Frente a este cúmulo de dificultades los especialistas están buscando múltiples salidas. Una de ellas surge de la física cuántica. Esta teoría que explica el curioso comportamiento de las partículas a nivel subatómico no parece coincidir con lo que el sentido común dice acerca del mundo de cada día. La física cuántica teoriza acerca de fenómenos que sólo pueden explicarse diciendo cosas como: “Una partícula es capaz de estar en dos lugares al mismo tiempo” (ver recuadro).

En los años 80 tres físicos llamados Feynman, Benioff y Deutsch fueron aún más lejos y concibieron una máquina que aprovechara los fenómenos cuánticos para aumentar la capacidad de procesamiento de una computadora. Si una partícula puede estar en dos estados al mismo tiempo, se la puede utilizar para codificar, a su vez, dos datos al mismo tiempo; en caso de una computadora binaria, en 0 y 1. Si un qbit (como se llama a un átomo con información) puede estar en dos estados al mismo tiempo, dos pueden representar cuatro estados al mismo tiempo (00, 01, 11, 10), tres qbits pueden representar 8 y así sucesivamente.

A pesar de lo interesante de la teoría, la curiosidad científica no dejaba de ser una construcción útil sólo para amenizar las charlas de café entre físicos reputados. Es que no se le encontraba ninguna utilidad práctica.

Pero hace sólo 5 años un científico de la Bell Labs, Peter Shor, demostró que las computadoras cuánticas podrían ser utilizadas de manera eficiente para resolver un problema de gran interés práctico: factorizar números enteros, una de las necesidades básicas de las empresas de seguridad informática que utilizan estos complejos cálculos matemáticos para crear claves de seguridad (ver recuadro). Apareció una utilidad práctica y detrás de ella los que podían llegar a obtener un beneficio: la poderosa industria de la seguridad abrió los ojos y las billeteras, y el dinero comenzó a llegar a los laboratorios que se dedicaron a estudiarlas. En otros lugares las cosas se hicieron con menos inversión, pero con resultados más que interesantes, como es el caso de la computadora cuántica que funciona en el 1-o piso del Pabellón I de la Ciudad Universitaria (UBA).

El funcionamiento de una computadora cuántica, como de la física cuántica, tiene sus bemoles, y esos bemoles exigen el no poco complejo proceso de quitarse de encima el sentido común. La idea básica es utilizar dos estados cuánticos de algún objeto para representar la información. En las computadoras comunes también la información se representa en estados físicos de ciertos materiales -que se codifican como 1 o 0- y para manipularla se usan circuitos que dejan pasar electricidad o no. Pero nuestras actuales computadoras almacenan la información utilizando un enorme número de partículas (casi cien mil millones de átomos son modificados para escribir un 0 o un 1 en un disco magnético ordinario). En cambio, al usar un único átomo por cada bit, las computadoras cuánticas tendrán otra ventaja enorme frente a sus parientes clásicas. Así, en las computadoras cuánticas se conjuga la posibilidad de ocupar poco espacio y aprovechar las características de los qbit de representar dos estados al mismo tiempo.

La computadora cuántica local funciona en el interior de un gran espectrómetro de Resonancia Magnética Nuclear (RMN) que consta de un imán superconductor muy poderoso, enfriado dentro de un tanque de helio y nitrógeno líquidos. En su interior se encuentra el verdadero cerebro informático: un tubito con un compuesto químico que es manipulado para codificar ceros y unos y hacerlos actuar para procesar información.

“En una computadora cuántica es necesario controlar el estado cuántico de la computadora a nivel de obligar a cada bit a ser 0, 1 o cualquier otra cosa intermedia que uno quiera. Pero es difícil decir “quiero cambiar un átomo de lugar” o hacer algo que afecte a un único átomo. Lograr que los átomos se queden quietos y fríos es el Premio Nobel de hace dos años”, se acalora el Dr. Juan Pablo Paz, director del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas de la UBA y responsable del proyecto de la primera computadora cuántica argentina. Así planteadas las cosas, las computadoras cuánticas generan problemas prácticos sobre los que se avanza lentamente. Cualquiera que haya intentado armar alguno de los regalitos que vienen en los huevos de chocolate sabe que manipular cosas pequeñas no es tarea fácil. Mucho menos si se trata de átomos. Sin embargo los pacientes obreros de la física no se rinden. “La cosa es así: la información se codifica en una de las características de los átomos (el spin) que se comporta de esa manera particular que le permite estar en dos estados al mismo tiempo. Para codificarlos utilizamos un aparato de resonancia magnética (RMN) que tiene un imán gigante. Introduciendo pulsos de radio frecuencia puedo hacer que los 0 se vuelvan 1 u otra opción, para cada uno de los tres átomos de nuestra computadora cuántica. No escribo un programa en Fortran o Basic. Yo lo que pienso es que tengo que actuar sobre el qbit número 1 de tal manera, sobre el 2-o de tal otra, para generar un encadenamiento lógico que me dé el resultado que busco”, explica Paz con paciencia.

Cómo manipular una sola molécula es algo muy complejo y difícil de medir, en la computadora de Exactas se utilizan muchas moléculas a las que se hace actuar en conjunto para que las señales magnéticas sean más fuertes. “Estas moléculas son manipuladas y todas ellas actúan de la manera que les indico. Luego dejo que los qbits interactúen entre sí”, explica Paz. En esta interacción se pueden crear funciones lógicas que son las que le dan la verdadera utilidad a la información acumulada en los qbits. Modificando los primeros eslabones de la cadena actúo sobre el último que arroja un resultado. Cuando termina el procesamiento se mide la magnetización, es decir que se obtiene el resultado final.

Así funciona el corazón de esta computadora cuántica. ¿Pero dónde está el programa que le indica qué hacer?

“En este sentido la computadora cuántica es bastante similar a las comunes. Se crea un programa en una computadora que indica cómo debe ser la posición inicial de los átomos para procesar la información que me interesa obtener, se provoca esa posición inicial mediante pulsos de radiofrecuencia y se deja que el espacio cuántico de procesamiento elabore un resultado. Podríamos decir que el aparato de RMN es una interfaz que me permite comprender lo que sucede en el interior de la máquina, de la misma manera que un monitor me permite entender lo que en el interior de una PC está codificado como unos y ceros.”

Hasta ahora, lo que se logró es que una computadora de dos bits encuentre, en un intento, un dato escondido entre otros tres falsos: con dos átomos se cubren las cuatro posiciones al mismo tiempo.

En realidad, “la potencialidad real de la computación cuántica no se conoce”, acepta Paz y admite: “No se sabe qué es lo que se puede hacer con una computadora cuántica.” Lo cierto es que, si una parte de lo que prometen llega a cumplirse, pueden llegar a redefinir lo que se entiende por calcular. De la misma manera que hace un siglo debía parecer imposible utilizar información acumulada en forma de 0 y 1 electrónicos, en la actualidad el futuro de la computación cuántica es todavía incierto, pero posible. Es más, se podría decir que el futuro mismo es cuántico, ya que en este momento todas las posibilidades son reales. Cuando una de ellas se concrete, de acuerdo con la limitada lógica cotidiana, va a haber tenido que elegir inclusive, si las computadoras cuánticas sirvieron para algo o no.

La mayoría de los esquemas de seguridad utilizados por bancos, agencias de gobierno y hasta transmisiones de correo electrónico a través de Internet están basadas en propiedades de los números primos. Los matemáticos estudian las propiedades de estos números desde la época de Aristóteles. Aun así, en la actualidad no se conocen algoritmos para descomponer un número muy grande en sus factores primos en un tiempo razonable.

El más conocido método de seguridad utilizado actualmente (R.S.A) está basado en la dificultad de factorizar un número grande. El algoritmo (R.S.A) se basa en el siguiente principio: es muy fácil codificar una porción de texto con una clave compuesta por dos números primos pues multiplicar dichos valores (por más grandes que sean) es muy sencillo. Sin embargo, efectuar la operación inversa (o sea, decodificar dicha porción de texto) es imposible de realizar en un tiempo humanamente útil con las computadoras actuales. Por eso la demostración de Peter Shor cruzó una barrera que no parecía poder ser derribada.

Por Juan Pablo Paz *

Pese a haber surgido hace casi un siglo y a tener un campo de aplicabilidad enorme (que abarca desde la estructura de los átomos hasta el interior de las estrellas), la mecánica cuántica sigue siendo tan rara y antiintuitiva como en su más tierna infancia. ¿Cuál es el motivo por el que los físicos construyen teorías que atentan abiertamente contra el sentido común? Ciertamente, no es un caso de perversión sino de necesidad. La física es una ciencia experimental, que elabora modelos para describir observaciones y predecir nuevos fenómenos. Y, como veremos, hay experimentos sencillos cuyos resultados no pueden ser explicados a menos que uno esté dispuesto a abandonar prejuicios tan bien establecidos como el que afirma que “las partículas se mueven en el espacio siguiendo trayectorias bien definidas”. La ciencia, desde Galileo, obligó al hombre a abandonar el antropocentrismo y la mecánica cuántica es un paso más en esa dirección: nos enseña que no solamente no somos el centro del Universo sino que jamás podremos aspirar a describirlo completamente usando sólo los conceptos adquiridos en nuestra experiencia cotidiana (y macroscópica).

Le propongo al lector que medite sobre uno de los experimentos que mejor ilustran el carácter extraño de la mecánica cuántica: el famoso “experimento de las dos rendijas”. Supongamos que, tal como se ve en la Figura 1, se coloca una fuente que emite partículas en el punto F. Entre la fuente F y la pantalla P, hay una pared con dos orificios (las dos “rendijas” R1 y R2). Las partículas que chocan contra la pared son absorbidas y jamás llegan a la pantalla. Con este dispositivo sencillo realizaremos tres experimentos casi idénticos. En el primero destapamos la rendija R1, tapamos R2 y detectamos cuántas partículas llegan a cada punto de la pantalla. Cada vez que una partícula pega en la pantalla anotamos cuál es la posición a la que ha llegado. Al cabo de un tiempo seremos capaces de elaborar un gráfico como el de la curva N1(x) que representa el número de partículas que llegó a la posición x de la pantalla.

El resultado de este primer experimento puede entenderse fácilmente y no tiene nada de sorprendente: las partículas llegan a la pantalla acumulándose cerca de un punto que corresponde a la imagen de la fuente vista a través de la rendija R1. El segundo experimento consiste en destapar la rendija R2 y tapar R1. El resultado es análogo al anterior: el número de partículas que llega a cada punto de la pantalla está dado por la curva N2(x) (ahora las partículas llegan a la pantalla acumulándose alrededor de la imagen de R2). El tercer experimento es idéntico a los anteriores, pero lo realizamos manteniendo ambas rendijas (R1 y R2) destapadas. Su resultado es tan sorprendente que fuerza una revolución conceptual.

El lector podría intentar predecir el resultado del tercer experimento usando su sentido común: parece obvio que cada partícula debería salir de la fuente F, pasar por alguna de las dos rendijas y finalmente impactar en algún punto de la pantalla. Si esto fuera cierto, al realizar el tercer experimento deberíamos comprobar que el número de partículas que llega a un punto de la pantalla es la suma de las que llegaron a ese punto en el primer experimento más las que lo hicieron en el segundo. Eso es precisamente lo que ocurre si las partículas que usamos son objetos macroscópicos (pelotitas de ping pong, por ejemplo). ¡Pero en el dominio microscópico y en condiciones de aislación extrema, el resultado del tercer experimento no es ése! Por el contrario, las partículas se acumulan tal como lo indica la curva N3(x), que muestra notables oscilaciones. Aunque parezca mentira, hay algunos puntos donde no llegan partículas en el tercer experimento siendo que a esos mismos puntos sí llegaban partículas en los dos primeros. ¡Es como si en estos puntos el efecto de una rendija abierta cancelara a la otra! La contracara de estos puntos oscuros en los que ambas rendijas “interfieren destructivamente” es que hay otros a los que llegan más partículas que en los dos primeros experimentos sumados. Experimentos como éste se han realizado usando electrones, protones, neutrones, átomos de varios electrones y, más recientemente, con nubes formadas por algunos miles de átomos.

Para explicar resultados tan sorprendentes como éste, los físicos solemos buscar relaciones y analogías para lo cual es natural preguntarse si existe otro sistema físico en el cual ocurra algo similar. El ejemplo más sencillo en el que esto se observa es en experiencias de interferencia de ondas. Por ejemplo, si se golpea rítmicamente la superficie de un estanque de agua con dos bolitas, puede observarse que hay zonas del estanque que permanecen inmóviles: son aquellas en las que la cresta de la ola proveniente de una bolita coincide con el valle de la ola que origina la otra. En esos puntos las ondas que provienen de ambas bolitas interfieren destructivamente y sus efectos se cancelan. Por otra parte, si el agua fuera perturbada con una única bolita, estos puntos se moverían. La analogía entre este resultado y el de nuestro experimento de las dos rendijas es notable. La mecánica cuántica es la teoría que permite explicar resultados experimentales como el de las “dos rendijas” y predecir nuevos fenómenos tan sorprendentes como ése. Para eso debe abandonar la idea intuitiva de que las partículas siguen trayectorias bien definidas y que pueden concebirse como entes eternamente localizados. Por el contrario la materia puede manifestarse como partícula y como onda siendo estos dos aspectos necesarios y complementarios entre sí. El resultado del experimento de las dos rendijas sugiere que aquello que hemos llamado “partícula” puede existir en un estado deslocalizado en el que ambas alternativas clásicamente excluyentes (pasar por una u otra rendija) están presentes. La computación cuántica es la disciplina que intenta usar este carácter “extraño” de la mecánica cuántica para procesar información en forma novedosa. La idea clave es que, tal que como lo hacen las partículas en el experimento de las dos rendijas, los bits cuánticos ocuparán estados en los que ambas alternativas clásicas (el 0 y el 1) estarán presentes. En esos estados la computadora cuántica realizará un número enorme de cálculos en paralelo. Este “paralelismo cuántico” es la clave de la eficiencia de las computadoras cuánticas por sobre sus parientes clásicas que, al igual que las hormigas o las pelotitas de ping pong, están siempre obligadas a seguir una trayectoria a la vez.

* Director del Departamento de Física de la Universidad de Buenos Aires.