{"id":75841,"date":"2024-02-12T16:08:49","date_gmt":"2024-02-12T14:08:49","guid":{"rendered":"https:\/\/revistaidees.cat\/fisica-quantica-i-informacio-noves-tecnologies-per-al-segle-xxi\/"},"modified":"2024-07-03T11:30:28","modified_gmt":"2024-07-03T09:30:28","slug":"fisica-quantica-i-informacio-noves-tecnologies-per-al-segle-xxi","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistaidees.cat\/es\/fisica-quantica-i-informacio-noves-tecnologies-per-al-segle-xxi\/","title":{"rendered":"F\u00edsica cu\u00e1ntica e informaci\u00f3n: nuevas tecnolog\u00edas para el siglo XXI"},"content":{"rendered":"\n
La informaci\u00f3n es un concepto clave en nuestra sociedad, que tiene un impacto muy directo en nuestro d\u00eda a d\u00eda: desde que nos levantamos hasta que nos metemos en la cama, se intercambian miles de mensajes por internet o las redes de datos m\u00f3viles, y tambi\u00e9n se ejecutan miles de operaciones, de m\u00e1s o menos complejidad, en los diferentes dispositivos procesadores de informaci\u00f3n, desde supercomputadores hasta nuestros m\u00f3viles mismos. La informaci\u00f3n ha modificado de tal manera la forma en que vivimos y convivimos que a menudo se conoce nuestra sociedad como la sociedad de la informaci\u00f3n. La importancia y el impacto de este concepto son f\u00e1ciles de entender si se tiene en cuenta que multitud de puestos de trabajo, empresas, inversiones y decisiones pol\u00edticas giran en torno a la informaci\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n
Todas las aplicaciones de informaci\u00f3n operan en bits, que no son m\u00e1s que su unidad b\u00e1sica y que pueden tomar dos valores: 0 o 1. Nuestra conexi\u00f3n de internet en casa o en el trabajo, la capacidad de memoria de nuestro m\u00f3vil o la velocidad del procesador de nuestro port\u00e1til: todo se mide en bits. Un ordenador no es m\u00e1s que un dispositivo que toma informaci\u00f3n codificada en bits, realiza operaciones siguiendo los pasos descritos en un algoritmo y nos devuelve el resultado en bits. Cuando enviamos un correo electr\u00f3nico a un amigo en la otra punta del planeta, la informaci\u00f3n se transmite en bits codificados en luz, que se env\u00edan a trav\u00e9s de una fibra \u00f3ptica.<\/p>\n\n\n\n
La f\u00edsica cu\u00e1ntica fue otra de las revoluciones que nos ofreci\u00f3 el siglo XX. Es el formalismo que explica todos los fen\u00f3menos microsc\u00f3picos que nos rodean. Al tener que ver con el mundo de lo m\u00e1s peque\u00f1o, su impacto en nuestra sociedad no es tan evidente a simple vista. Sin embargo, esta conclusi\u00f3n es incorrecta, porque es superficial. Por una parte, y desde un \u00e1mbito fundamental, las predicciones de la f\u00edsica cu\u00e1ntica supusieron un cambio radical en la comprensi\u00f3n de la naturaleza, ya que son, en muchos aspectos, muy diferentes de las predicciones de la hasta entonces imperante f\u00edsica newtoniana. Por otra parte, desde un \u00e1mbito m\u00e1s aplicado, la f\u00edsica cu\u00e1ntica ha sido y es crucial para comprender los materiales, la qu\u00edmica y la estructura molecular y, por lo tanto, gran parte de la ciencia y la tecnolog\u00eda modernas. Aplicaciones como el l\u00e1ser, que se utiliza desde para leer el c\u00f3digo de barras en el supermercado hasta para complejas operaciones quir\u00fargicas, o el transistor, que es fundamental para el funcionamiento de cualquier ordenador, fueron s\u00f3lo posibles gracias a la comprensi\u00f3n del mundo microsc\u00f3pico que proporcion\u00f3 la f\u00edsica cu\u00e1ntica.<\/p>\n\n\n\n
Part\u00edculas cu\u00e1nticas para procesar y transmitir informaci\u00f3n: cambio de paradigma<\/h5>\n\n\n\n
Ya hace unas cuantas d\u00e9cadas, varios investigadores empezaron a plantearse qu\u00e9 pasar\u00eda si se combinaran la informaci\u00f3n y la f\u00edsica cu\u00e1ntica. Despu\u00e9s de haber le\u00eddo los p\u00e1rrafos anteriores, la pregunta puede parecer incluso sencilla y natural: \u00bfqu\u00e9 pasar\u00eda si utiliz\u00e1ramos part\u00edculas cu\u00e1nticas, como los \u00e1tomos o los fotones de luz, para transmitir y procesar informaci\u00f3n? Dicho de otra manera: \u00bfqu\u00e9 pasa si almacenamos los bits en part\u00edculas cu\u00e1nticas? Pero en aquel tiempo, y aunque era una pregunta muy estimulante desde un punto de vista conceptual y te\u00f3rico, era una posibilidad pr\u00f3xima a la ciencia-ficci\u00f3n, teniendo en cuenta el estado de las tecnolog\u00edas. Sin embargo, las tecnolog\u00edas de la informaci\u00f3n han avanzado de manera vertiginosa en las \u00faltimas d\u00e9cadas, e ideas que parec\u00edan m\u00e1s propias de la ciencia-ficci\u00f3n se han convertido en realidad. En particular, ya se tiene el conocimiento y las t\u00e9cnicas para almacenar bits en part\u00edculas cu\u00e1nticas como los \u00e1tomos o fotones. \u00bfQu\u00e9 podemos esperar, entonces, de la combinaci\u00f3n de la informaci\u00f3n y la f\u00edsica cu\u00e1ntica? Esta es la pregunta principal que la nueva disciplina de las ciencias y tecnolog\u00edas de la informaci\u00f3n cu\u00e1ntica busca responder.<\/p>\n\n\n\n
Se comprendi\u00f3 relativamente pronto que utilizar bits codificados en part\u00edculas cu\u00e1nticas abr\u00eda nuevas oportunidades para procesar y transmitir informaci\u00f3n. El mero hecho de colocar un bit en una part\u00edcula cu\u00e1ntica ya daba como resultado una cosa diferente de la que conoc\u00edamos. Consideramos, por ejemplo, una posible realizaci\u00f3n de un bit a trav\u00e9s de un \u00e1tomo que puede estar en dos posiciones, tal como se puede ver en la imagen: cuando est\u00e1 a la izquierda, el valor del bit es 0, y cuando est\u00e1 a la derecha, el valor es 1. Ahora abrimos cualquier libro de texto de f\u00edsica cu\u00e1ntica. No nos tenemos que asustar, ni hace falta leer mucho: hay bastante con llegar al primer postulado de la teor\u00eda, que acostumbra a aparecer en las primeras p\u00e1ginas. Recordamos que los postulados de una teor\u00eda no se discuten, sino que se aceptan.<\/p>\n\n\n\n
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Las tecnolog\u00edas de la informaci\u00f3n han avanzado de manera vertiginosa en las \u00faltimas d\u00e9cadas, e ideas que parec\u00edan m\u00e1s propias de la ciencia-ficci\u00f3n se han convertido en realidad. Actualmente ya se tiene el conocimiento y las t\u00e9cnicas para almacenar bits en part\u00edculas cu\u00e1nticas como los \u00e1tomos o los fotones<\/p>\n<\/blockquote>\n<\/div>\n\n\n\n
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Pues bien, el primer postulado de la f\u00edsica cu\u00e1ntica nos dice que si una part\u00edcula cu\u00e1ntica puede estar en dos estados, tambi\u00e9n puede encontrarse en un estado que es la superposici\u00f3n de los dos estados. El concepto de superposici\u00f3n es dif\u00edcil de asimilar, ya que las superposiciones tienen lugar en el mundo microsc\u00f3pico, de los \u00e1tomos y las mol\u00e9culas, que no vemos con los ojos, ni o\u00edmos, ni podemos tocar; en el mundo en el cual vivimos, que s\u00ed que percibimos, desaparecen. No existe, por lo tanto, una analog\u00eda que podamos utilizar para explicar la superposici\u00f3n: es una cosa muy especial de este mundo de lo m\u00e1s peque\u00f1o. Sin embargo, el hecho de que un concepto sea dif\u00edcil de asimilar no significa que no sea el correcto para describir la naturaleza. Y, de hecho, el concepto de superposici\u00f3n cu\u00e1ntica es uno de los ingredientes que se utilizan para explicar los experimentos a escala microsc\u00f3pica. Volvemos ahora a nuestro bit codificado en la part\u00edcula cu\u00e1ntica: \u00bfqu\u00e9 implicaciones tiene el postulado de las superposiciones? De su aplicaci\u00f3n se entiende que el bit cu\u00e1ntico, tambi\u00e9n conocido como qubit, es diferente del bit utilizado hasta ahora, el bit cl\u00e1sico, ya que puede estar en los dos valores habituales de 0 y 1, pero tambi\u00e9n en cualquier superposici\u00f3n de estos valores. La unidad b\u00e1sica de informaci\u00f3n cu\u00e1ntica, el qubit, es, por lo tanto, m\u00e1s rico que su an\u00e1logo cl\u00e1sico.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n
\nRepresentaci\u00f3n gr\u00e1fica de los qbits o bits cu\u00e1nticos.<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n
Los ordenadores cu\u00e1nticos<\/h5>\n\n\n\n
A partir de esta observaci\u00f3n, vale la pena revisitar todos los usos que hacemos de la informaci\u00f3n y ver c\u00f3mo se modifican bajo los fen\u00f3menos de la f\u00edsica cu\u00e1ntica, como por ejemplo las superposiciones mencionadas. \u00bfC\u00f3mo podemos calcular y resolver problemas cuando los codificamos en bits cu\u00e1nticos? Esta pregunta lleva de manera inmediata a la idea del ordenador cu\u00e1ntico. \u00bfQu\u00e9 es un ordenador cu\u00e1ntico? Para responder a esta pregunta, es \u00fatil recordar de nuevo qu\u00e9 es un ordenador cl\u00e1sico: una m\u00e1quina que coge informaci\u00f3n codificada en bits, sobre los cuales hace una serie de transformaciones para resolver un problema, cuya soluci\u00f3n nos devuelve de nuevo en bits. Aunque pueda parecer obvio, un ordenador cu\u00e1ntico no es nada m\u00e1s que la translaci\u00f3n de esta idea a un entorno cu\u00e1ntico: una m\u00e1quina que es capaz de procesar informaci\u00f3n en bits cu\u00e1nticos para resolver problemas. La diferencia, sin embargo, radica en el hecho que este procesamiento se lleva a cabo utilizando los fen\u00f3menos de la f\u00edsica cu\u00e1ntica, que no tienen an\u00e1logo en nuestro mundo macrosc\u00f3pico cl\u00e1sico y que, por lo tanto, son inaccesibles a nuestros ordenadores cl\u00e1sicos actuales. Es decir, el ordenador cu\u00e1ntico puede utilizar m\u00e1s operaciones, tiene a su disposici\u00f3n m\u00e1s herramientas para resolver problemas complejos y, en consecuencia, puede llegar a proporcionar soluciones a estos problemas de manera mucho m\u00e1s eficiente. A esta situaci\u00f3n se la conoce tambi\u00e9n como ventaja cu\u00e1ntica (en ingl\u00e9s, quantum advantage<\/em>). Este hecho no se tiene que interpretar como que todos los problemas se resolver\u00e1n de manera m\u00e1s eficiente en un ordenador cu\u00e1ntico y, de hecho, existen problemas para los cuales un ordenador cu\u00e1ntico y uno cl\u00e1sico ofrecen el mismo rendimiento. Pero al mismo tiempo se conocen otros problemas para los cuales s\u00ed que se obtiene una ventaja computacional cu\u00e1ntica.<\/p>\n\n\n\n
Siguiendo con aplicaciones de computaci\u00f3n, un campo muy activo y de gran actualidad es el del aprendizaje autom\u00e1tico (en ingl\u00e9s, machine learning<\/em>), donde se entrenan ordenadores con muchos datos para que aprendan y nos permitan resolver problemas relevantes. \u00bfC\u00f3mo aprende un ordenador cu\u00e1ntico? Esta es, de nuevo, una pregunta fundamental con potenciales aplicaciones pr\u00e1cticas: es lo que busca responder el aprendizaje autom\u00e1tico cu\u00e1ntico.<\/p>\n\n\n\n
Criptograf\u00eda cu\u00e1ntica<\/h5>\n\n\n\n
Pero sabemos que la informaci\u00f3n se utiliza para miles de aplicaciones m\u00e1s all\u00e1 de la computaci\u00f3n. Por ejemplo, para establecer una red de comunicaciones a escala global, internet, donde los bits son transmitidos a cualquier parte del planeta. \u00bfCu\u00e1l ser\u00eda la estructura de un internet cu\u00e1ntico, donde el objetivo es transmitir bits cu\u00e1nticos entre dos puntos cualesquiera? \u00bfCu\u00e1les son las leyes de la comunicaci\u00f3n cu\u00e1ntica? Y un aspecto clave en las comunicaciones actuales es el de la privacidad: casi tan importante como el hecho de poder enviar informaci\u00f3n de un sitio a otro es poder hacerlo de manera segura, a fin de que un posible esp\u00eda o enemigo no tenga acceso a los mensajes que se env\u00edan. El campo de la criptograf\u00eda nos proporciona las herramientas para dise\u00f1ar m\u00e9todos de transmisi\u00f3n privada. En este caso, los bits cu\u00e1nticos vuelven a abrir nuevas posibilidades para la encriptaci\u00f3n de informaci\u00f3n y permiten dise\u00f1ar los llamados protocolos de criptograf\u00eda cu\u00e1ntica,<\/em> que proporcionan un nuevo tipo de seguridad basada en las leyes de la f\u00edsica cu\u00e1ntica.<\/p>\n\n\n\n
Podemos seguir enumerando todos los posibles usos de la informaci\u00f3n en nuestra sociedad e intentar entender c\u00f3mo se ven afectados por las leyes de la f\u00edsica cu\u00e1ntica. No lo haremos en esta introducci\u00f3n, porque no es su objetivo, y porque el resto del monogr\u00e1fico de la revista IDEES presenta diferentes art\u00edculos que analizan muchas de estas posibles aplicaciones. Algunas, como los ordenadores o la comunicaci\u00f3n cu\u00e1ntica, son muy naturales; otras son m\u00e1s especulativas. Por ejemplo, los ordenadores se utilizan actualmente para componer m\u00fasica, por lo cual podemos plantearnos c\u00f3mo generar m\u00fasica utilizando efectos cu\u00e1nticos. Las contribuciones de este monogr\u00e1fico de la revista IDEES sirven, por lo tanto, para presentar una visi\u00f3n m\u00e1s detallada y completa del campo.<\/p>\n\n\n
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