De quina manera la mecànica quàntica canviarà la informàtica

A principis de juny, Google va anunciar que ampliaria els serveis informàtics al núvol a l'abast del mercat per incloure la computació quàntica, i des del maig tenim a disposició una oferta similar d'IBM. Encara no són serveis que la majoria de la gent corrent tingui motius per utilitzar, però fer més accessibles els ordinadors quàntics ajudarà els grups de recerca governamentals, acadèmics i empresarials de tot el món a seguir amb el seu estudi de les capacitats de la computació quàntica.

Per entendre com funcionen aquests sistemes cal explorar un altre camp de les ciències que la majoria de la gent ja coneix. A partir de la nostra experiència quotidiana, estem familiaritzats amb el que els físics anomenen "mecànica clàssica", que governa la major part del món que podem veure amb els nostres propis ulls, com el que passa quan un cotxe xoca contra un edifici, quina trajectòria segueix una pilota al llançar-la, i per què costa tant arrossegar una nevereta per una platja de sorra.
La mecànica quàntica, en canvi, descriu l'univers subatòmic, és a dir, el comportament dels protons, els electrons i els fotons. Les lleis de la mecànica quàntica són molt diferents de les de la mecànica clàssica i poden tenir resultats inesperats i contraris a la intuïció, com la idea que un objecte pugui tenir massa negativa.

En els grups de recerca governamentals, acadèmics i empresarials de tot el món hi ha físics que segueixen indagant les aplicacions al món real de les tecnologies basades en la mecànica quàntica. Per la nostra part, els que ens dediquem a les ciències informàtiques tractem d'entendre com es poden aplicar aquestes tecnologies a l'avenç de la informàtica i la criptografia.

Breu introducció a la física quàntica
En la nostra vida corrent, estem acostumats que les coses existeixin en un estat definit. Per exemple, una bombeta està encesa o apagada. Però en l'univers quàntic, els objectes poden existir en el que es denomina una superposició d'estats. A nivell atòmic, una hipotètica bombeta podria estar apagada i encesa al mateix temps. Aquesta estranya característica té importants repercussions per a la informàtica.

En la mecànica clàssica -i per tant, en els ordinadors clàssics-, la unitat mínima d'informació és el bit, que pot tenir dos valors: 1 o 0, però mai tots dos al mateix temps. En conseqüència, cada bit només pot contenir una dada. Aquests bits, que es poden representar com impulsos elèctrics, canvis en els camps magnètics, o fins i tot com un interruptor físic, constitueixen la base del còmput, l'emmagatzematge i la comunicació dels ordinadors i les xarxes informàtiques dels nostres dies.
Els qubits -bits cuántics- són l'equivalent quàntic dels bits clàssics. Una diferència fonamental és que, a causa de la superposició, els qubits poden tenir al mateix temps valor 0 i valor 1. Per naturalesa, la implementació física d'aquestes unitats d'informació ha de tenir lloc a escala atòmica; per exemple, en la rotació d'un electró o en la polarització d'un fotó.

La computació amb qubits
Una altra diferència és que en els bits clàssics és possible intervenir en un amb independència dels altres. La manipulació d'un bit en determinada ubicació no té cap efecte sobre els bits que es troben en una altra ubicació diferent. En canvi, els qubits es poden enllaçar emprant una propietat de la mecànica quàntica anomenada entrellaçament, de manera que siguin interdependents fins i tot encara que estiguin molt lluny l'un de l'altre. Això vol dir que les operacions que un ordinador quàntic dugui a terme en un qubit poden afectar molts altres qubits al mateix temps. Aquesta característica -semblant, però no igual, al processament en paral·lel- pot fer que la computació quàntica sigui molt més ràpida que els sistemes clàssics.

Encara no hi ha grans ordinadors quàntics és a dir, amb centenars de qubits i construir-los és difícil perquè requereix que les operacions i els mesuraments es facin a escala atòmica. Per exemple, actualment l'ordinador quàntic d'IBM té 16 qubits, i Google ha promès un ordinador quàntic de 49 qubits -la qual cosa seria un avenç sorprenent-. En comparació, avui en dia els ordinadors portàtils tenen diversos gigabytes de memòria RAM. Un gigabyte equival a vuit milions de bits clàssics.

Una poderosa eina
Tot i les dificultats per construir ordinadors quàntics que funcionin, els teòrics segueixen explorant el seu potencial. El 1994, Peter Shor va demostrar que els ordinadors quàntics podien resoldre ràpidament els complexos problemes matemàtics subjacents a tots els sistemes criptogràfics de clau pública, com els que faciliten una connexió segura als navegadors web. Un ordinador quàntic a gran escala posaria en perill tota la seguretat a Internet tal com la coneixem. Els criptògrafs estan obstinats a trobar nous sistemes de clau pública resistents als atacs quàntics, almenys pel que ells saben.

Una qüestió interessant és que les lleis de la mecànica quàntica també es poden emprar per dissenyar sistemes més segurs que els seus equivalents clàssics en molts sentits. És possible que en el futur aquests sistemes -igual que altres basats en els ordinadors quàntics- arribin a ser útils, bé de manera general o en aplicacions més especialitzades. En tot cas, un repte decisiu és aconseguir que funcionin en el món real i a grans distàncies.

Font: El País_Tecnologia