La UNAM explora la computación cuántica

Todo comenzó con una paradoja: la física entendía el movimiento de los planetas, pero no el de los electrones. Yuriy Rubo, investigador del Instituto de Energías Renovables de la UNAM, lo resumió con claridad: “La mecánica cuántica nació porque la física clásica ya no alcanzaba para explicar el mundo atómico”.

A principios del siglo XX, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg y Paul Dirac, entre otros, abrieron una grieta en el pensamiento clásico: descubrieron que las partículas no obedecen las reglas del sentido común. Según sus experimentos pueden estar en dos lugares a la vez, desaparecer y reaparecer, comportarse como ondas o como materia.

“En la mecánica cuántica todo ocurre en porciones discretas, no de forma continua como en la física clásica”, explicó Rubo. “Eso quiere decir que la energía, la luz o la materia cambian a saltos”.

La mecánica cuántica es la rama de la física que describe el comportamiento de la materia y la energía a escalas subatómicas, puntualizó.

Así, nació una pregunta que cambió la historia: ¿cómo podía una computadora clásica, construida con bits y transistores, describir un mundo hecho de probabilidades? El físico Richard Feynman, premio Nobel en 1965, se enfrentó a ese dilema. Las máquinas de su tiempo no podían simular los sistemas cuánticos. “Feynman pensó: ‘si no podemos simular la naturaleza con nuestras máquinas, usemos la naturaleza misma para hacer cálculos’”, señaló Rubo.

De esta forma, surgió la idea de la computadora cuántica: un dispositivo que no sólo calcula con ceros y unos, sino con estados superpuestos de ceros y unos: con los cúbits.

Un bit clásico puede ser 0 o 1. Un cúbit puede ser 0 y 1 al mismo tiempo. Esa superposición permite que la computadora explore muchas soluciones a la vez. “El cúbit es un sistema cuántico que puede estar en dos estados y en superposición”, aclaró Rubo. “Y aunque hoy las computadoras cuánticas no son muy grandes, ya existen procesadores con más de cien cúbits, como el de Google.”

Durante años, esta idea pareció imposible. Pero el tiempo cambió la historia. En 2019, Google anunció que su procesador cuántico Sycamore, con 53 cúbits activos, completó un cálculo de muestreo aleatorio en unos 200 segundos, una tarea que –según sus estimaciones– habría tomado miles de años a una supercomputadora clásica con los métodos disponibles anteriormente.

Aunque otros grupos demostraron después que esos tiempos podían reducirse con algoritmos clásicos mejorados, el logro marcó un hito: el primer indicio tangible de supremacía cuántica, la cual se refiere al momento en que una computadora cuántica realiza un cálculo que sería prácticamente imposible para una máquina clásica.

Compañías como IBM y Google invierten ahora en reducir el ruido cuántico; esas pequeñas perturbaciones que hacen que los cúbits pierdan coherencia; interferencias que alteran el estado de un cúbit y genera errores en el cálculo.

Aplicaciones de ensueño

Las aplicaciones son tantas como los sueños de los ingenieros. Desde descifrar códigos de seguridad hasta diseñar nuevos materiales o simular reacciones químicas imposibles. “Como toda tecnología nueva, también despertó interés militar”, admitió Rubo. “Pero su alcance es mucho mayor. Puede resolver problemas que para una computadora clásica son inalcanzables.”

El propio Rubo explora una frontera aún más luminosa: la computación cuántica con condensados polaritónicos.

“Los polaritones son estados híbridos entre luz y materia”, explicó. “Si logramos controlarlos, podríamos construir computadoras ópticas cuánticas, donde la luz misma sirva para procesar información.”

Explicado de manera condensada, polaritónico es un estado de la materia en el que fotones (luz) y electrones se combinan y actúan como una sola partícula cuántica. Puede procesar información con muy poca energía.

México, aseguró Rubo, participa en esa frontera. “En la UNAM, en San Luis Potosí y en otros lugares hay colegas que investigan polaritones. Incluso, los compañeros del Instituto de Física de la UNAM organizan una conferencia y un curso para estudiantes cada dos años sobre este tema. Hay talento aquí”.

Antes de terminar aclaró una confusión frecuente: “La computación cuántica y la inteligencia artificial no son lo mismo. La inteligencia artificial usa redes neuronales en computadoras clásicas. Tal vez en el futuro se junten, pero por ahora son mundos distintos”.

Entonces, ¿lo cuántico necesitaba una computadora? “Sí. Pero no cualquier computadora: una que acepte la incertidumbre como parte del cálculo, que piense en probabilidades, que entienda que el cero y el uno pueden coexistir. Lo cuántico necesitaba una computadora que no tenga miedo de dudar. Y tal vez, al construirla, nosotros aprendamos a pensar de una forma más parecida al universo”, concluyó Yuriy Rubo.