Matemáticas del Café con Leche podrían Mejorar las Computadoras Cuánticas
Las computadoras cuánticas llevan una década prometiendo ser el gran siguiente paso tecnológico. Por desgracia, la inestabilidad de estas máquinas las ha arrinconado por el momento a los laboratorios. Ahora, científicos han propuesto una solución matemática que podría llevar a una computación cuántica práctica y estable; y para su propuesta los matemáticos se inspiraron en el café con leche.
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La magia binaria de las computadoras
Las computadoras son el invento más importante de la humanidad en el último siglo. En un tiempo lleno de maravillas, la computación ha modificado radicalmente nuestras vidas y ha permitido el surgimiento de otros inventos revolucionarios.
Detrás de los documentos que escribimos o las fotos de gatos que vemos, las computadoras solo hacen una tarea: realizar operaciones matemáticas. No cuentan de forma decimal, como nosotros, sino que usan el sistema binario, que se compone solamente de unos y ceros. Esa unidad mínima de información, que puede ser un uno o un cero, se llama bit.
Podemos entender un bit como el interruptor de una luz. Si está prendida, y la corriente pasa, es un uno. Si está apagada la luz, y la corriente se detiene es un cero. Dentro de cada microchip hay, literalmente, millones de interruptores que solo hacen una función: permitir o negar el paso de una corriente eléctrica.
Actualmente, una computadora de escritorio puede realizar con facilidad 3 mil millones de operaciones por segundo (3 gigaherzios). Es decir, los interruptores en el interior del chip se prenden o se apagan 3 mil millones de veces por segundo.
La inestabilidad de las computadoras cuánticas
Las computadoras cuánticas fueron ideadas en la décadas de los ochenta. En un artículo de 1980 el científico estadounidense Paul Benoiff propuso una nueva forma de hacer bits. ¿Qué tal que los bits no se limitaban a dos posibilidades, cero o uno? ¿Qué tal que se pudiera superponer estos estados? Literalmente, sería como si el interruptor de la luz estuviera prendido y apagado al mismo tiempo.
Esto es posible porque en la mecánica cuántica, la teoría científica que gobierna el comportamiento de las partículas elementales y los átomos, es posible que una partícula tenga dos estados al mismo tiempo. La llamada superposición es la base de toda la computación cuántica. Aquí, la medida mínima de información ya no es el bit, que es solo un cero o un uno, sino la superposición de varios estados al mismo tiempo. Esta medida nueva se llama qubit, en la que se puede tener un cero y un uno al mismo tiempo.
La ventaja de las computadoras cuánticas es que son exorbitantemente más rápidas y poderosas que nuestras computadoras binarias. Esto se debe a que no calculan una sola posibilidad sino múltiples posibilidades al mismo tiempo, porque los qubits entregan varias posibles respuestas de forma simultánea.
Sin embargo, esta misma cualidad ha provocado que, de momento, las computadoras cuánticas estén limitadas a los laboratorios. Un gran problema que impide la creación de una computadora cuántica comercial y estable es el tiempo de coherencia, que es el tiempo en que puede “vivir” un qubit sin degradarse a un estado u otro. Cuando un qubit se degrada la información se pierde.
Una solución para las computadoras cuánticas inspirada en el café con leche
De ahí la sorpresa que ha causado un artículo publicado en la prestigiosa revista Physical Review Letters. En él lo que proponen tres investigadores de la Universidad de Colorado en Boulder es que es posible esquivar la degradación de los qubits.
En el artículo los matemáticos explican: “Toda configuración congelada es absolutamente estable ante perturbaciones arbitrarias, ante todos los órdenes finitos en la teoría de perturbaciones”. Según los propios científicos, esta propuesta se puede entender de la siguiente forma: imaginemos que la información de una computadora cuántica es una taza de café.
Cuando colocamos leche en la taza, al principio los dos líquidos permanecen separados y se pueden distinguir claramente. Solo pasados unos segundos los remolinos se agradan y el café cambia de color, del negro al café.
Según Rahul Nandkishore, uno de los tres autores, es posible usar las matemáticas para crear un computadora cuántica donde las perturbaciones naturales en la información no se mezclan. Es decir, sería como tener una taza donde la leche y el café no se combinan nunca.
Al respecto, el científico declaró a la revista Phys:
Piensen en los patrones de remolinos iniciales que aparecen cuando agrega crema al café de la mañana. Imaginen si estos patrones continuaran girando y bailando sin importar cuánto tiempo los mirara.
Para conseguir esto en una computadora cuántica, los matemáticos proponen que se modifique la forma en que se escribe la información y la forma en que se organizan los grupos de qubits. Si esta organización sigue patrones particulares, el tiempo de coherencia podría extenderse:
Esta podría ser una forma de almacenar información. Se escribiría información en estos patrones y la información no podría degradarse.
Por el momento esta es una propuesta teórica, pero ya ha despertado el entusiasmo de múltiples especialistas en computación cuántica. Y, sí se lleva a cabo, podría ser la clave para llevar los qubits fuera de los laboratorios.
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