El qubit, abreviatura de quantum bit o bit cuántico, es la unidad básica de información de una computadora cuántica. En las computadoras tradicionales, la información se representa mediante bits. Cada bit puede encontrarse en uno de dos estados: 0 o 1. Todo lo que hace un teléfono, una computadora o una televisión digital puede expresarse, en el nivel más fundamental, mediante enormes cantidades de estos ceros y unos. El qubit es el equivalente cuántico del bit, pero funciona de una manera muy diferente. Debido a las leyes de la mecánica cuántica, un qubit puede encontrarse en una superposición de los estados 0 y 1. Matemáticamente, puede describirse como una combinación de ambos estados, por ejemplo, α|0⟩ + β|1⟩, donde α y β son amplitudes de probabilidad. Cuando el qubit se mide, el resultado que obtenemos es 0 o 1, con probabilidades determinadas por esas amplitudes.

La comparación con una moneda que gira resulta útil para imaginarlo, pero tiene un límite importante: un qubit no es simplemente una moneda que todavía no sabemos cómo cayó. Se trata de un sistema físico que realmente puede encontrarse en un estado cuántico de superposición, y las amplitudes tienen además una fase que desempeña un papel fundamental en los cálculos. Por eso, la superposición no significa que una computadora cuántica pueda simplemente probar todas las respuestas posibles y después leerlas todas. La verdadera ventaja aparece cuando los algoritmos utilizan la superposición, el entrelazamiento y la interferencia cuántica de manera cuidadosamente diseñada para aumentar la probabilidad de obtener las respuestas que interesan.

Para entender por qué esto resulta tan interesante, pensemos en varios qubits. Un solo qubit puede representar una combinación de los estados 0 y 1; dos qubits pueden formar una superposición de cuatro estados básicos: 00, 01, 10 y 11; tres qubits pueden involucrar ocho estados; cuatro, dieciséis, y así sucesivamente. En general, un sistema de n qubits tiene un espacio de estados con 2ⁿ estados básicos posibles. Sin embargo, sería incorrecto decir que una computadora cuántica simplemente “almacena” 2ⁿ datos independientes o que puede leer todos esos estados simultáneamente. La medición proporciona una cantidad limitada de información, por lo que el desafío consiste en diseñar algoritmos capaces de aprovechar la estructura de esa enorme superposición mediante la interferencia cuántica.

Aquí aparece otra propiedad esencial: el entrelazamiento cuántico. Cuando dos o más qubits se encuentran entrelazados, sus estados pueden presentar correlaciones que no pueden explicarse tratando cada qubit como un sistema independiente. Una forma sencilla de imaginarlo es pensar en dos objetos cuánticos preparados de manera que sus resultados estén fuertemente correlacionados. Al medir uno, podemos conocer qué resultado obtendremos para el otro en determinadas bases de medición, incluso si están separados por una gran distancia. Albert Einstein describió este fenómeno, de manera crítica, como una “acción fantasmal a distancia”.

La combinación de superposición, entrelazamiento e interferencia es la que permite construir algoritmos cuánticos capaces de resolver determinados problemas de una manera potencialmente mucho más eficiente que los algoritmos clásicos conocidos. Empero, para muchas tareas cotidianas, una computadora convencional seguirá siendo perfectamente adecuada. La computación cuántica resulta especialmente prometedora para problemas concretos, como la simulación de sistemas cuánticos y moléculas, determinados problemas de optimización y algunos cálculos matemáticos que podrían tener importantes consecuencias para la criptografía.

Pero ¿qué es físicamente un qubit? No existe una única tecnología para construirlo. Un qubit puede basarse, por ejemplo, en determinados estados del espín de un electrón, en la polarización de un fotón, en iones atrapados mediante campos electromagnéticos, en átomos neutros controlados con láseres o en circuitos superconductores. Cada una de estas tecnologías tiene ventajas y dificultades diferentes. En los circuitos superconductores, por ejemplo, los sistemas deben mantenerse a temperaturas extremadamente bajas, de unos pocos milikelvins, dentro de grandes criostatos. Esas temperaturas son incluso mucho menores que la temperatura de fondo del espacio profundo, que es de aproximadamente 2.7 kelvin.

La razón de tanto cuidado es que los qubits son extremadamente delicados. El entorno puede perturbarlos y provocar la pérdida de la coherencia cuántica, fenómeno conocido como decoherencia. El calor, las fluctuaciones electromagnéticas, las vibraciones, la radiación y otras perturbaciones pueden introducir errores o destruir las propiedades cuánticas que se necesitan para realizar un cálculo.

Esta fragilidad conduce a una distinción fundamental entre qubits físicos y qubits lógicos. Un qubit físico es una implementación real, como un átomo, un ion o un circuito superconductivo. Un qubit lógico, en cambio, es una unidad de información cuántica protegida mediante técnicas de corrección de errores que utilizan varios qubits físicos. La cantidad necesaria puede ser de cientos, miles o incluso más, dependiendo de la calidad de los qubits, del código de corrección utilizado y de los requisitos de la aplicación. Por eso, tener muchos qubits físicos no significa automáticamente disponer de una computadora cuántica tolerante a fallos con la misma cantidad de qubits lógicos.

El término qubit tiene además una pequeña historia curiosa. Se atribuye al físico teórico estadounidense Benjamin Schumacher, quien introdujo la palabra en su trabajo sobre información cuántica publicado en 1995. En los agradecimientos de ese artículo explicó que el término había surgido “en broma” durante una conversación con el físico William Wootters.

Los qubits también están relacionados con uno de los grandes debates tecnológicos de nuestro tiempo: la ciberseguridad. Algunos algoritmos cuánticos, especialmente el algoritmo de Shor, podrían poner en riesgo sistemas criptográficos de clave pública ampliamente utilizados si en el futuro se construyen computadoras cuánticas tolerantes a fallos suficientemente grandes. Por eso, gobiernos, universidades y empresas ya trabajan en la transición hacia métodos de criptografía poscuántica, diseñados para resistir ataques de computadoras cuánticas. El problema no consiste simplemente en alcanzar “miles de qubits” físicos, pues para romper criptografía a gran escala se necesitarían suficientes qubits lógicos fiables y una máquina capaz de ejecutar enormes cantidades de operaciones cuánticas con tasas de error extremadamente bajas.

Un qubit es una unidad de información basada en las reglas de la mecánica cuántica. Su capacidad para existir en superposición, entrelazarse con otros qubits y participar en fenómenos de interferencia permite desarrollar formas completamente nuevas de procesar información. El gran reto consiste en controlar esos delicados estados cuánticos durante el tiempo suficiente para realizar cálculos útiles y, además, corregir los errores que inevitablemente aparecen.

Referencias:

Qué es un qubit, qubits físicos vs lógicos

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