La computación cuántica
Por Marytere Narváez
Mérida, Yucatán. 15 de octubre de 2015 (Agencia Informativa Conacyt).- Con 32 años de edad, Guillermo Cordourier Maruri realiza su investigación de posdoctorado sobre computación cuántica en estado sólido en el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (Cinvestav Unidad Mérida), institución que representó durante su participación en la 65a Reunión Lindau de premios Nobel en Alemania.
En entrevista con la Agencia Informativa Conacyt, el investigador teórico que forma parte del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) nivel I, nos muestra un panorama sobre el campo de la computación cuántica que se ha desarrollado desde los años ochenta con el impulso de físicos reconocidos como Richard Feynman y que empieza a consolidarse en nuestro país.
A nivel internacional, el Massachusetts Institute of Technology (MIT) y el Instituto de Tecnología de California (Caltech) albergan algunos de los grandes grupos de investigación experimental en computación cuántica, y en el campo que estudia el estado sólido destacan grupos teóricos y experimentales del Imperial College y University College en Inglaterra.
En 2007 la Sociedad Mexicana de Física fundó la división de Información y computación cuántica con el fin de reunir a todas las personas dedicadas al estudio de este campo de investigación que poco a poco empieza a crecer y formar recursos de alto nivel, entre los que se encuentra Cordourier Maruri.
Agencia Informativa Conacyt (AIC): ¿Cómo iniciaste en el estudio de la computación cuántica?
Guillermo Cordourier Maruri (GCM): A mí me gusta la física en general, pero cuando empecé a conocer la mecánica cuántica me gustó mucho porque hay cosas que no entiendo, en la física clásica siempre hay una manera de relacionar los fenómenos analógicamente a nuestra experiencia, pero en la mecánica cuántica hay aspectos que no entendía, y eso fue lo que me motivó y me sigue motivando para trabajar en ello.
Lo que nosotros estudiamos básicamente es la ecuación de Schrödinger, que es una ecuación de onda pero específicamente de la función de onda de las partículas, es decir, cómo se comportan las partículas siendo ondas.
Estamos trabajando con aspectos que se pueden aprender en un libro de texto todavía y a partir de eso construimos nuevas posibilidades teóricas, las bases fundamentales están establecidas desde hace cien años aproximadamente, pero los conceptos en torno a la computación cuántica son nuevos y los tenemos que adquirir de papers.
Iniciamos colaborando fuertemente con Inglaterra, pero ahora estamos desarrollando nuestro grupo de investigación y hemos hecho papers que son resultado de nuestras propias propuestas teóricas.
AIC: ¿Cuáles son las características de la computación cuántica?
GCM: Uno podría pensar que el motivo por el que las computadoras son más pequeñas es debido a razones de comodidad para el usuario, pero es la necesidad de incrementar la velocidad lo que exige que la información recorra menores distancias y que cada vez las computadoras disminuyan más su tamaño.
La ley de Moore señala que la velocidad de las computadoras se duplicará cada dos años y estamos llegando al límite en el que los microprocesadores son tan pequeños que están hechos casi de moléculas.
La computación actual se basa en la física clásica que rige los cuerpos grandes. La mecánica cuántica es la física que rige los cuerpos más pequeños, y esta va a ser necesaria para 
explicar las relaciones de los sistemas de información cuando estos rebasen un límite que ya está por rebasarse. Por tanto, nosotros tratamos de ver qué es lo que se necesitaría para tratar de implementar una computadora de estas dimensiones, cuáles serían sus algoritmos, de qué estaría hecha esa computadora y todas las cosas curiosas que podrían surgir porque el mundo de los cuerpos pequeños es muy distinto al mundo que usualmente estamos habituados a ver.
El código binario es la base de la computación clásica, siempre es 0 y 1 o switchs prendidos y switchs apagados. En la computación cuántica es algo diferente porque como tenemos estados superpuestos, el switch prendido 1, el switch apagado 0 y una mezcla de los dos. Eso es una gran ventana en algunos cálculos, por ejemplo en la factorización de los números primos que tienen muchas repercusiones tecnológicas.
Esta superposición de estados es la base de la mecánica cuántica, lo que calculamos es la probabilidad de tener estados superpuestos y qué debemos hacer para desarrollar operaciones de ese estado superpuesto.
En el caso de la computación cuántica realizamos la misma operación para el grado de partículas que se suman y realizamos la operación para el 0 y el 1, la misma operación dos veces al mismo tiempo, lo que es una ventaja en velocidad. Esto se conoce como paralelismo cuántico y es la ventaja máxima para la computación cuántica, pues en vez de realizar una operación una por una, realizamos una serie de operaciones simultáneas.
Ahora hay investigadores que se enfocan en desarrollar algoritmos solamente para este tipo de sistemas; tratan de tomar los algoritmos existentes y adecuarlos a la computación cuántica y crear otros algoritmos que sean más eficientes. Muchas veces se piensa que la computación cuántica siempre será mejor, pero en algunos casos no se puede utilizar el paralelismo para incrementar la velocidad, por lo que hay científicos enfocados en ver cuándo se puede y cuándo no, hay científicos enfocados en crear esa superposición de estados, hay otros enfocados en ver cómo puede uno operar esa superposición de estados y en total, hay un montón de gente enfocada en pequeñas problemáticas para al final converger en algo que sea útil.
AIC: ¿Cuáles son campos de esta rama de investigación?
GCM: Es un campo de investigación muy amplio y todavía emergente en el mundo, porque la necesidad es nueva, pero casi todas las ramas de la física tienen su propia aplicación para la computación cuántica, como la óptica y los estados sólidos.
Los de estado sólido estudiamos la posibilidad de hacer una computadora cuántica basada en electrones. En nuestro proyecto de investigación estudiamos qué es lo que pasa cuando un electrón choca contra una impureza magnética, es decir, los imanes tienen un polo positivo y uno negativo, las partículas muy pequeñas también tienen esos dos polos, también llamados spin.
Entonces viene el electrón, choca contra una impureza magnética y al chocar mueve el imán, nosotros sabemos que el electrón también tiene un pequeño imán, por lo que sabemos que también interactúan. Es algo divertido porque tiene muchas aristas, tenemos que considerar la energía de choque y también la interacción entre los imanes para tratar de controlar completamente la posición final de la impureza a partir de la energía y las condiciones iniciales del electrón que choca, y eso podría ser utilizado para entrelazar sistemas dentro de un sistema más grande de información cuántica.
Imagínense una computadora cuyos registros sean los imanes pequeños, los discos duros también se basan en momentos magnéticos y, aunque son mucho más grandes que los imanes que menciono, son muy parecidos.
Para realizar una operación yo hago chocar electrones contra varias impurezas magnéticas y realizan una operación matemática, ya sea una suma o una resta dentro de los registros que representan estos imanes.
Tenemos colaboración con grupos de Inglaterra, Italia y Portugal, creo que también son de estado sólido, aunque también tratamos de ver el campo vecino de la óptica, ver qué es lo que están haciendo, qué se puede hacer y considero que finalmente la computadora cuántica va a ser una mezcla de todo eso.
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