Simulación Cuántica en camino. El Matrix no está lejos...

Aun con todo el inmenso poder de las computadoras de hoy día, hay al menos un tipo de problemas que ni todas las computadoras del mundo combinadas en una sola puede atacar, y ese es el problema de simular efectos cuánticos. Pero eso está empezando a cambiar...

El problema es que efectos cuánticos (es decir, los efectos de la física que ocurren en las escalas mas inimaginablemente pequeñas, como lo que ocurre entre y dentro de los átomos) tienen la extraña propiedad de que pueden existir en mas de un estado simultáneamente.

Es decir, es como si tuviéramos un bombilla, la cual estuviera encendida y apagada al mismo tiempo, algo que suena ridículo pero que aunque contra-intuitivo, es la manera en que funciona la naturaleza a pequeñas escalas, es decir, un mismo electrón puede estar en dos estados a la misma vez, en dos lugares a la misma vez, en dos estados magnéticos a la misma vez, etc. Y cuando digo dos estados, no solo me refiero a dos, sino que a hasta una infinidad de estos estados simultáneos.

Muchos dirán que esto es solo teoría, pero lo cierto es que esto ha sido comprobado en miles de experimentos durante décadas. Inclusive, la razón por la cual nuestros televisores, celulares, y cientos de otros aparatos domésticos funcionan es precisamente debido a esta singularidad de la naturaleza. Es el famoso "Principio de Superposición", que dice que una misma cosa puede estar en una infinidad de estados simultáneos, hasta que uno interactúe con su información.

Pues sucede, que simular estos estados cuánticos es un gran problema para las computadoras "clásicas" que utilizamos hoy día, ya que estas se basan en una arquitectura binaria, es decir, de 2, en donde cada pedazo (o "bit", que es lo que significa "pedazo" en Inglés) solo puede estar en 1 de 2 posibles estados, en el estado 0 (cero) o el estado 1 (uno), pero nunca ambos a la vez.

En contraste, una computadora cuántica utiliza Qbits, en donde cada Qbit puede estar en "0", o en "1", o "en 0 y 1".

Eso significa que si una computadora clásica (de "bits") quisiera simular tan solo 2 átomos que tuvieran tan solo 2 estados (digamos 0 y 1), que tal computadora necesitaría darle seguimiento a 4 posibles combinaciones entre esos dos bits, que son 00, 01, 10 y 11. Si tuviéramos 3 átomos, hablamos de 8 combinaciones (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111), y si hablamos de tan solo 4 átomos entonces requeriríamos de 16 combinaciones.

Para que tengan una idea, el tan solo almacenar los posibles estados de 24 átomos, que en una computadora clásica requeriría de tan solo 24 bits (o 3 Bytes), en una computadora cuántica se necesitarían 16,777,216 bits, o unos 2 GigaBytes. Es decir, que para que una computadora clásica pueda simular a una cuántica, se necesita almacenar información exponencialmente, o en este caso mas precisamente se necesitan 2^N bits para almacenar los estados de N Qbits. Es por eso que en el ejemplo anterior si queremos almacenar los estados de 24 bits, necesitamos de 2²⁴ bits, que son 16,777,216 bits.

Y debido a esta exponencialidad, es impráctico poder simular cualquier sistema cuántico de un tamaño útil para obtener resultados, ya que por ejemplo para simular un sistema cuántico con tan solo 256 Qbits, se necesitarían mas bits que la cantidad de fotones visibles en todo el Universo conocido (un número que no cabrían en varias páginas aquí.

Y es aquí en donde llegamos al tema de hoy, Simulación Cuántica.

Sucede que desde el 2002 ya se dieron los primeros pasos para simular efectos cuánticos (y efectos clásicos) con una computadora cuántica. La gran ventaja de esto es que a diferencia de una computadora clásica, una cuántica puede estar en "todos los estados posibles" a la vez, por lo que para simular un sistema de 256 Qbits solo se necesitan 256 Qbits (valga la redundancia).

Hoy día ya se están creando las primeras simulaciones casi prácticas que nos permitirán simular prácticamente cualquier cosa en el futuro, inclusive partes del Universo mismo, idéntico a la película The Matrix.

Inicialmente estos experimentos tienen un fin práctico inmediato, y es el de poder simular complejos materiales sintéticos. Hoy día por ejemplo si alguien tiene una idea de algún novedoso nuevo material, su única opción para "simularlo" es construyendo de alguna manera uno real (un proceso complejo, lento y caro), y después midiendo sus propiedades con todo tipo de herramientas.

Sin embargo, con un simulador cuántico, es posible crear una simulación del objeto en el mundo cuántico, y poder interactuar con el material como si existiera de verdad, lo que aceleraría la creación de nuevos y asombrosos materiales desde una tarea laboriosa que toma años o décadas, a una que tome días o quizás segundos.

Este a propósito es un excelente ejemplo de como todo, incluyendo en este caso la tecnología, avanza no de manera gradual (o lineal), sino que exponencial, pues este tipo de herramientas aceleran tanto la industria, que los nuevos adelantos en sí mismo nos permiten acelerar otras tantas mas de manera exponencial también (como en este caso, la industrias de construcción civil, de arquitectura, la textil, y hasta la de viajes espaciales).

Es esta una razón por la cual tardamos miles de años en crear computadoras, pero tan solo tardamos unas décadas en crear el Internet, unos años en crear celulares, y ya hoy día es casi cada unos cuantos meses que sale algo nuevo y novedoso, y este paso solo continuará acelerándose, hasta que lleguemos a una singularidad, pero ese ya es tema para otro artículo...

A los científicos que quieran mas información sobre esto, consulten este enlace del 2002, y a los que quieran un extracto de desarrollos recientes (y menos técnico), pueden leer este otro articulo recién publicado, el cual me inspiró a escribir este artículo de hoy.

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