El Qubit, ... memoria infinita

Ser o no ser.

 Las dos y ninguna. 

Esa es la cuantostión.

En el campo de la medicina, la ingeniería genética y la biología molecular son las que descollan. Si nos fijamos en la cosmología, lo mas comentando con las cosas que llevan como coletilla la palabra “oscura”. Si observamos la física, todo lo domina el LHC y sus partículas. Pero si nos paramos a mirar en el mundo de la computación lo primero que aparece es la cuántica. Si señor. La cuántica. Esa cosa difusa que nadie entiende bien pero que todo el mundo tiene en la boca. Y de la mano de esta ínclita invitada nos llega otra sorpresa en primicia. Un grupo de investigadores internacionales han conseguido algo insólito. Han logrado guardar un Qubit de información en un átomo de fósforo durante 1.75 segundos. Y dirán ustedes ¿Y qué? Qubit de esos me desayuno yo unos cuantos todos los días frente a mi ordenador.

No tanto, amigo. Usted se podrá merendar, como mucho, un buen puñado de bits que son la unidad de información que rige nuestro mundo macromolecular. En éste ámbito un bit significa que un interruptor puede estar o encendido o apagado, es decir, que puede tener sólo dos valores. Y con esa premisa tan simple, se construye toda la informática actual, con nuestros gigas y nuestros Pentium. Pero a niveles subatómicos, ese lugar tan pequeño que no alcanzamos ni a imaginar pero que existe, las cosas no suceden de esta manera. En el mundo cuántico, las partículas subatómicos logran existir en múltiples estados de forma simultánea: esto es, pueden, literalmente, estar en dos lugares a la vez o poseer un número de propiedades de otra forma mutuamente exclusivas. Dicho de otro modo, que pueden adoptar un estado de abierto, de cerrado o de ambos a la vez. Eso es lo que se llama un qubit de información en el dominio cuántico. Parece imposible, ¿verdad? Pues así sucede.  En el mundo cuántico las cosas pueden ser o no ser, ambas a la vez.

¿Y qué aporta esta propiedad cuántica del ser o no ser simultáneo? 

Pues que el poder de procesamiento se centuplica hasta unos niveles estratosféricos. Donde antes un ordenador necesitaba miles de años para descifrar una clave, ahora podrían lograrlo en varios segundos. La mecánica cuántica dicta que estos bits cuánticos (qubits), también pueden estar en superposición, indicando a la vez 1 y 0. Dos átomos pueden estar simultáneamente en cuatro estados: 00, 01, 10 y 11. Tres átomos pueden decir ocho cosas a la vez: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 y 111. Por cada átomo que se añada a la cadena, el número de posibilidades se incrementa exponencialmente por dos. Y eso es mucho. Tanto que no podemos ni imaginar la colosal capacidad de procesamiento que reflejan estos datos. Pero eso no es todo. Además, la capacidad de almacenamiento de un sistema cuántico no tiene parangón en cuanto a la cantidad de información que podría guardar un solo gramo de materia. Vamos a calcularlo. En un gramo de oro existen 3,057,473,598,700,243,704,305 átomos, y si asumimos que podremos almacenar tan solo 1 bit por átomo y eso significaría que los átomos de 1 gramo de oro pueden almacenar339,448 PetaBytes (PB) de información. Esto significa que un dispositivo de 1 kg. podría almacenar 339,447,760 PB, o 331,492 ExaBytes (EB) de información. Para que nos hagamos una idea aproximada, sería el equivalente a 13,000,000,000,000 de Bluray de 25 GB cada uno. Quizá nos aclaremos mejor diciendo que son 13 billones de discos azules llenos de datos hasta la bandera. No exageramos cuando afirmamos que todo Internet cabe en un lingote de oro de 1 kilito. Y aún sobra espacio para más.

 ¿Y qué hace tan especial esta noticia? Hace algún tiempo se estaba probando a guardar información en átomos y hasta en fotones  pero no se había conseguido nada relevante porque la superposición de estados en el electrón es una cosa muy frágil que en cuanto se interacciona con el exterior, modifica su valor irremisiblemente. Lo que se ha logrado en esta ocasión viene determinado por los nuevos estudios de un grupo multidisciplinar. El equipo, con científicos e ingenieros de Oxford y Princeton, así como del Lawrence Berkeley National Laboratory, reportó una solución al problema en la revista Nature del pasado 23 de octubre: un invento híbrido que emplea un electrón y el núcleo de un átomo de fósforo empotrado en un cristal de silicio. Dentro del cristal el electrón es más de un millón de veces mayor que el núcleo , y posee un campo magnético miles de veces más fuerte. Esto hace apropiado al electrón para su manipulación y medida, pero no muy bueno para almacenar información, pues ésta se destruye fácilmente. Aquí es donde interviene el núcleo atómico: cuando la información en el electrón está lista para almacenarse, se lleva al interior del núcleo donde puede sobrevivir por tiempo mucho más largo, entre 1 y ¾ de segundo: suficiente y hasta de sobra para su procesamiento. “Con el cristal del laboratorio de Berkeley estuvimos encantados de ver que los tiempos de memoria excedían el umbral para ser procesada la información- dice Steve Lyon, líder del equipo de Princeton- Antes de este avance, no se había logrado preservar la información cuántica sino por unas pocas decenas de milisegundos”

Bien, ya hemos conseguido que la información se mantenga durante el tiempo suficiente para aplicarle una corrección de errores y de esta forma lograr obtener que los datos permanezcan indefinidamente. Los errores se producen cuando un bit se da la vuelta accidentalmente y dice '1' cuando en realidad quiere decir '0', o viceversa. Los ordenadores corrientes pueden protegerse de este error utilizando la redundancia. En un programa, los datos se envían por triplicado, de forma que 101 se convierte en 111000111. Programas pequeños y sencillos están alerta en busca de los tríos corruptos como 010 o 110, y restauran los bits equivocados para que se ajusten a los otros dos. Para la informática cuántica, la corrección de errores es más complicada pero también funciona. Se protege un qubit mediante el uso de un complejo programa que despliega su valor por un grupo de cinco qubits que están enmarañados (entangled) cuánticamente. Eso significa que si uno de los qubits se corrompe, su valor original puede recuperarse analizando los otros cuatro.

En resumen, aunque parezca que 1.75 segundos apenas significan nada, en realidad representan la diferencia entre poder guardar información cuántica en un átomo de manera ilimitada o no, lo cual a su vez permitirá un desarrollo definitivo de esta tecnología. Los bits no tardarán mucho en ser reemplazados por sus hermanos los qubits. Y cuando esto suceda, tengan por seguro que el avance será tan espectacular que se iniciará una nueva era en la historia de la humanidad. Imaginen las innumerables líneas de avance que significarían un ordenador cuántico con semejante poder de proceso y de almacenamiento. La física, la medicina, la genética, la química, las telecomunicaciones. Todas las ramas del saber se verían inevitablemente aceleradas a la velocidad de la luz.