Las obras de sus manos: Supremacía cuántica y la creación de Dios

La noticia apareció en los titulares de todo el mundo, ¿pero qué significa? ¿Y qué impacto podría tener este logro en nuestra vida y en los años venideros?

En los últimos meses del 2019, los titulares de la prensa anunciaron que Google, gigante de la internet, había logrado la supremacía cuántica. Ante la noticia, muchos se rascaron la cabeza preguntándose: “¿Y qué es la supremacía cuántica?”

Para responder a esta pregunta, tendremos que explorar uno de los aspectos fundamentales y extraños de la creación divina: el mundo de la mecánica cuántica.

Cebras y pixeles

Para tener una idea aproximada de cómo se está empleando ese extraño ámbito de la física para transformar la computación, consideremos el concepto de superposición en mecánica cuántica. Es una curiosa propiedad de la materia, y una ilustración curiosa nos ayudará a comprenderla mejor.

Imaginemos que tomamos una foto de una cebra y luego observamos la imagen en la computadora. Al aumentar la imagen con el zoom, empezamos a ver los pixeles en forma individual. Allí donde las rayas negras de la cebra se encuentran con las blancas, notamos que algunos pixeles son grises: unos de tono gris más oscuro, otros más claro, pero no son cien por ciento negros ni blancos.

En esos casos, los pixeles representan una especie de superposición: una mezcla de negro y blanco. Se obliga a un pixel a representar una superposición de múltiples estados: ni una raya de cebra puramente negra ni una puramente blanca. Siendo un solo pixel, debe representar ambos estados, según la mezcla porcentual de pelos de cebra negros y blancos que hay en la pequeña fracción de la imagen que corresponde a ese pixel.

De un modo más o menos análogo, según la mecánica cuántica, los objetos subatómicos que solemos visualizar como partículas discretas no son exactamente partículas, sino que existen en múltiples estados a la vez. Así como el color gris del pixel representa una combinación de ciertos porcentajes de negro y blanco, el estado de una partícula subatómica es borroso e impreciso, definido por una combinación de todos los estados que podría tener, según las probabilidades de que ocurra cada uno de ellos.

La idea de que las partículas no siempre son objetos claramente definidos con un lugar y un estado definitivos, sino que pueden existir en lugares y estados indefinidos, que solo probablemente existen aquí o allá, es bien extraña, sin duda. No obstante, la validez de la teoría cuántica se ha comprobado una y otra vez, y forma la base de gran parte de nuestra tecnología moderna. Ha abierto la puerta a una comprensión más profunda de procesos tan terrenales como la fotosíntesis, y tan cósmicos como el destino de los gigantescos agujeros negros.

¿Qué puede hacer esta teoría por la informática?

El cero y el uno suben de categoría

Desde comienzos del siglo 20, la base de la computación ha sido binaria, es decir, que se representa la información como un conjunto de unos y ceros. La aritmética binaria que emplea el 1 para representar “sí” o “encendido”, y el 0 para representar “no” o “apagado”, es fundamental en la totalidad de la programación de computadoras, desde las aplicaciones en nuestro teléfono inteligente hasta los sistemas de soporte vital en la Estación Espacial Internacional.

Esa unidad de información básica: encendido o apagado, sí o no, 1 o 0, ha recibido el nombre de “bit”, palabra derivada de la combinación de “binario” y “dígito”. Al irse acumulando los bits, cada uno igual a 1 o 0 únicamente, en grupos cada vez más grandes, van creciendo y convirtiéndose en bytes, megabytes y gigabytes, que representan cantidades de información cada vez mayores. Por ejemplo, si su computadora puede almacenar 500 gigabytes de información, eso significa que su arquitectura eléctrica puede almacenar 4.000.000.000.000 bits: cuatro billones de unos y ceros. Todo lo que hay en la computadora se almacena como un grupo de unos y ceros.

La simplicidad del bit ha sido un recurso fenomenal, que permitió la existencia de nuestro complicado mundo digital. Pero a la vez, ha sido limitante y la aplicación de la mecánica cuántica promete una gran mejora. Si un interruptor que solamente puede estar “encendido” o “apagado” resulta útil, ¿qué tal si pudiera ser una mezcla de ambos?

Para eso está el qubit. Si un bit es como un pixel limitado a negro o blanco, un qubit es como un pixel capaz de ser ambas posibilidades simultáneamente, como un tono de gris.

El bit en una computadora clásica se limita a un valor de 1 o 0. En cambio, el qubit de una computadora cuántica puede existir en un estado indeterminado que representa una especie de combinación de 1 y 0: una superposición de múltiples condiciones a la vez, con base en las leyes de la probabilidad de la mecánica cuántica. Así, los qubits aportan a los cálculos un poder de resolución de problemas mucho mayor que los bits. ¿Cuánto mayor?

Esto quedó ilustrado en los resultados publicados en la revista científica Nature el 23 de octubre del 2019. Se le asignó a la computadora cuántica de Google, conocida con el nombre de Sycamore, un problema que logró resolver en unos 200 segundos. Nature estimó que el mismo cálculo efectuado por computadoras convencionales exigiría el poder combinado de 100.000 computadoras normales funcionando durante 10.000 años.

La supremacía cuántica es el hito que hemos pasado cuando una computadora cuántica alcanza un resultado que es de hecho imposible para las computadoras clásicas. Resolver con un solo procesador y en menos de tres minutos y medio, un problema en el que 100.000 computadoras tardarían más que toda la historia de la civilización ¡ciertamente es pasar un hito!

La empresa IBM, gigante en el mundo de la computación, ha disputado la conquista de Google, estimando que su propia supercomputadora de diseño clásico lograría el mismo resultado en dos días y medio. Aunque IBM tenga razón, nadie puede negar la importancia del logro de Sycamore. La supercomputadora de IBM, apodada Summit, ocupa el espacio de dos canchas de tenis y es en la actualidad la computadora no cuántica más rápida del planeta. Si Sycamore, que cabría en un armario, logró en 200 segundos lo que le tomaría a Summit más de dos días, realmente estamos al borde de algo revolucionario.

Y Sycamore representa solo un comienzo muy simple de las computadoras cuánticas que los científicos imaginan. Si la supremacía cuántica aún no ha llegado, lo cierto es que está en camino.

¿Cuál será el impacto?

El poder de las tecnologías cuánticas para transformar al mundo queda de manifiesto al contemplar la importancia de los cálculos numéricos en nuestra vida. El enorme salto en el poder de cálculo atribuible a la computación cuántica, puede traducirse en mayor capacidad de diseñar nuevos medicamentos y materiales de construcción, o de acelerar el avance de la inteligencia artificial. Quizá veamos adelantos que por ahora ni siquiera podemos imaginar.

Algunos postulan que el mismo Universo actúa como una vasta computadora cuántica, que “procesa” la actividad de sus incontables partículas y fuerzas de un extremo a otro de la realidad. Si es así, a medida que las computadoras vayan imitando directamente las computaciones de la propia naturaleza, quizá se abran nuevas puertas en la física, la química y la biología; y tal vez hasta en la arquitectura del cerebro.

Sin embargo, la humanidad no se ha manifestado como la mejor administradora de tanto conocimiento. En el camino para aprender más sobre cómo funciona la extraordinaria creación de Dios, llegamos inevitablemente a diversas encrucijadas que nos obligan a escoger qué uso haremos de lo que hemos aprendido. La comprensión de cómo Dios diseñó la materia y la energía nos permitió encauzar el poder del átomo… tanto para llevar energía a las ciudades como para destruirlas.

La comprensión del extraño mundo contraintuitivo de la mecánica cuántica nos llevará a otra encrucijada: ¿Qué decisiones tendremos que tomar cuando la computación cuántica sea plenamente nuestra para manejarla a nuestro antojo? ¿Tendremos el carácter necesario para aplicar correctamente lo que aprendamos sobre este aspecto de la creación divina?

El éxito de Sycamore nos advierte que pronto lo sabremos.