Cómo funcionan las computadoras cuánticas

Fundamentos de la computadora cuántica

Todas las computadoras, por avanzadas que sean, parten de la misma base: el bit [↧]. Es casi increíble que todo lo que hace su portátil –desde ver películas por streaming hasta procesar hojas de cálculo– pueda descomponerse en cadenas de 0 y 1. Además, esos números no son abstractos. En el hardware, se almacenan como estados físicos: pequeñas cargas en capacitores, puntos magnéticos en un disco o patrones grabados en silicio.

Las computadoras cuánticas parten del mismo principio básico: la información se debe almacenar en sistemas físicos, pero el comportamiento de estos sistemas se rige por las leyes de la mecánica cuántica más que por la física clásica. La unidad básica es el bit cuántico, o cúbit. Como un bit clásico, un cúbit produce o bien 0 o bien 1 cuando se mide. No obstante, a diferencia de su pariente clásico, puede ocupar un conjunto de estados mucho más rico, representado matemáticamente como un vector en un espacio bidimensional que combina los estados base |0⟩ y |1⟩.

Verá que aquí introducimos la notación matemática. En la computación cuántica, las ecuaciones no son solo una forma de describir lo que ocurre; son en sí mismas lo que ocurre. El álgebra lineal nos dice exactamente cómo los cúbits se comportan, evolucionan e interactúan. Sin ella, no tendríamos forma de explicar qué hace que la computación cuántica sea tan distinta de las máquinas digitales que conocemos.

La superposición: más allá de 0 y 1

A primera vista, los cúbits no parecen muy distintos de los bits clásicos: tienen dos estados básicos, |0⟩ y |1⟩, que desempeñan el mismo papel que 0 y 1 en la computación ordinaria. Sin embargo, aquí está la diferencia fundamental: los cúbits no están limitados a esos estados. También pueden existir en superposiciones [↧], combinaciones de |0⟩ y |1⟩. Por ejemplo, un cúbit podría estar en parte en |0⟩ y en parte en |1⟩, descrito matemáticamente como algo parecido a 0,6 |0⟩ + 0,8 |1⟩. Los números que aparecen delante –aquí 0,6 y 0,8– se denominan amplitudes: recogen los «pesos» de cada estado y, elevados al cuadrado, indican las probabilidades de medir el cúbit como 0 o 1.

En la práctica, los estados base |0⟩ y |1⟩ suelen corresponder a configuraciones físicas muy concretas, tales como distintos niveles de carga o un fotón que se encuentra en una de dos ubicaciones. Son fáciles de visualizar, como las formas físicas en las que se almacenan los bits clásicos: una marca magnética en un disco o un agujero en una tarjeta perforada.

Las superposiciones, sin embargo, son más difíciles de imaginar. No están simplemente «en los dos estados a la vez», aunque se suelan describir así por brevedad. En cambio, un cúbit puede existir en un intervalo continuo de estados. Esta capacidad de transportar y procesar combinaciones es una de las razones centrales por las que las computadoras cuánticas pueden hacer cosas inalcanzables para las máquinas clásicas.

Circuitos cuánticos en acción

Una sola puerta cuántica [↧] puede hacer cosas extraordinarias, pero la computación real solo surge cuando se combinan. Unidas, estas puertas forman circuitos cuánticos [↧], cada uno empujando los cúbits un poco más hacia una respuesta confiable. Sobre el papel, esto puede parecer simple. En la práctica, sin embargo, es una de las cosas más difíciles de lograr. Los estados cuánticos son extremadamente frágiles y la más mínima perturbación –un destello de calor, un fotón extraviado– puede destruirlos. Estas perturbaciones aleatorias se conocen como ruido cuántico [↧].

Para preservar su estado, los cúbits deben estar lo más aislados posible. Algunas partículas interactúan tan débilmente con su entorno que es casi imposible perturbarlas. Por ejemplo, los neutrinos –partículas fantasmales que apenas interactúan con la materia–, pueden atravesar gruesas paredes de plomo sin interactuar con ellas. Sin embargo, ese mismo «distanciamiento» los hace inútiles como cúbits: si no podemos interactuar de forma confiable con ellos, no podemos preparar, manipular ni medir sus estados.

Esto pone de manifiesto el dilema central del hardware cuántico: los cúbits deben estar lo bastante aislados como para preservar su estado, pero lo bastante accesibles como para que podamos controlarlos. Construir una computadora cuántica funcional consiste, en última instancia, en lograr ese equilibrio.

Puertas cuánticas: cómo programamos los cúbits

Una vez que tienes cúbits, la siguiente pregunta es: ¿cómo se opera con ellos? La superposición es potente, pero por sí sola no es más que potencial. Para computar realmente, necesitamos formas de empujar, voltear o mezclar los cúbits dando lugar a nuevos estados. Para eso sirven las puertas lógicas cuánticas.

Piense en ellas como las jugadas del juego de la computación cuántica. Una puerta cuántica es una operación precisa que transforma un cúbit o, a veces, varios cúbits a la vez. Son los componentes básicos de cualquier algoritmo cuántico [↧], igual que las puertas clásicas AND, OR y NOT son el centro de todo lo que hace su computadora portátil.

Algunas puertas son simples. La versión cuántica de NOT, por ejemplo, convierte |0⟩ en |1⟩ y viceversa. No obstante, los cúbits también pueden existir en combinaciones de esos estados. Si un cúbit está en superposición, digamos α |0⟩ + β |1⟩, la puerta NOT intercambia las amplitudes: se convierte en α |1⟩ + β |0⟩. En otras palabras, los pesos asignados a |0⟩ y |1⟩ simplemente se intercambian.

Otras puertas son más sorprendentes. La puerta de Hadamard [↧], por ejemplo, no solo voltea un cúbit: mezcla sus estados dando lugar a una superposición. Con ella, es posible pasar del mundo ordinario de los bits «uno/otro» al mundo mucho más extraño de los cúbits «ambos a la vez», algo muy potente porque abre nuevas vías computacionales. Mientras que una puerta NOT clásica es como ir y venir por una carretera, la puerta de Hadamard es como surcar el agua en barco. De repente, aparecen nuevas rutas y, con ellas, nuevas formas de resolver problemas que las máquinas clásicas no pueden igualar.

Hacer hablar a los cúbits

Diseñar circuitos es una cosa, pero no tiene sentido si no podemos extraer un resultado. Ahí es donde entra en juego la medición [↧]. Imagine que alguien le entrega un cúbit en un estado desconocido. ¿Puede simplemente «echar un vistazo dentro» para ver cómo se configuró? Sorprendentemente, no. No es que el cúbit «encierre el secreto»: es que la mecánica cuántica no nos permite acceder directamente al estado completo. Cuando lo medimos, solo se obtiene un único resultado claro.

Para obtener ese resultado, el cúbit tiene que entrar en contacto con el mundo clásico. Esto, en la práctica, significa dejar que interactúe con un detector, un equipo láser o un circuito electrónico. La configuración exacta varía dependiendo de la tecnología: los láseres revelan el estado de los iones atrapados [↧], los circuitos de microondas captan las señales de los cúbits superconductores y los detectores de fotones registran qué camino siguió un fotón.

Sea cual fuere la plataforma, el efecto es el mismo: el estado cuántico se convierte en una señal clásica que podemos registrar.

Cómo funcionan las computadoras cuánticas

Hemos hablado de los componentes básicos de la computación cuántica: cúbits, puertas cuánticas, circuitos y medida. No obstante, la verdadera magia tiene lugar cuando se juntan y se observa cómo interactúan los grupos de cúbits. Aquí es donde cobran vida los principios de la computación cuántica.

• Entrelazamiento [↧]: enlaza dos cúbits y ya no se comportan como objetos aislados. Sus estados se entrelazan, de modo que la medición de uno determina instantáneamente el resultado correlativo del otro, aunque estén separados por distancias enormes. Este extraño vínculo no es solo una curiosidad física; es un recurso potente que permite a las computadoras cuánticas abordar ciertos problemas de forma mucho más eficiente que las máquinas clásicas.
• Interferencia [↧]: a medida que los cúbits evolucionan a través de un circuito cuántico, sus ondas ocultas de probabilidad se solapan, cancelan o refuerzan entre sí. Los algoritmos bien diseñados aprovechan este efecto para suprimir las respuestas erróneas mientras amplifican las correctas. El algoritmo de Grover es un ejemplo sorprendente, ya que utiliza la interferencia para buscar a través de enormes conjuntos de datos con mucha más eficacia que las computadoras clásicas.
• Decoherencia [↧]: no obstante, hay otra cara de la moneda, y es que los cúbits son frágiles. El calor, las partículas extraviadas o incluso la más leve vibración pueden colapsar su delicado estado: un problema conocido como decoherencia. Los métodos de corrección de errores [↧] ayudan, pero mantener estables los cúbits el tiempo suficiente para ejecutar algoritmos significativos es uno de los mayores desafíos de la computación cuántica.

En conjunto, el ciclo se parece a esto: preparar cúbits en un estado elegido (normalmente |0⟩); aplicar puertas cuánticas que los manipulen y entrelacen; diseñar el circuito de modo que la interferencia amplifique las respuestas correctas mientras suprima las incorrectas; y, por último, medir los cúbits para convertir el resultado en información clásica. No es solo una forma más rápida de computación: es una forma fundamentalmente nueva de pensar en lo que pueden hacer las computadoras.

Diferentes caminos hacia la computación cuántica

La parte complicada no es la teoría, sino hacer que funcione en máquinas físicas. En todo el mundo, los investigadores están ensayando distintos tipos de computadoras cuánticas, cada uno basado en un sistema físico distinto con sus propios puntos fuertes y limitaciones.

• Computadora cuántica de cúbits superconductores: utilizada por IBM y Google, es la plataforma más consolidada en la actualidad. Los circuitos superconductores enfriados hasta casi el cero absoluto cambian de estado increíblemente rápido, pero son difíciles de escalar: cuantos más cúbits se agregan, más difícil es mantenerlos estables. Gracias a software maduro como Qiskit y Cirq, los desarrolladores pueden crear, ensayar y perfeccionar programas cuánticos con mayor facilidad, dando a estos sistemas una ventaja natural.
• Computadora cuántica de iones atrapados [↧]: empresas como IonQ utilizan láseres para atrapar y manipular átomos individuales. Estos cúbits tienen tiempos de coherencia [↧] excepcionalmente largos, lo que los hace muy estables. Como contrapartida, las operaciones de puerta son más lentas y resulta más difícil escalarlas a grandes sistemas.
• Computadora cuántica fotónica: la propia luz puede transportar información cuántica, como en los modelos de PsiQuantum y Xanadu. Los fotones (partículas de luz) resisten el ruido de manera natural, pero lograr que interactúen con la fuerza suficiente para la computación es todo un desafío.
• Computadora cuántica de átomos neutros: utilizando pinzas ópticas, es posible disponer los átomos en rejillas que podrían llegar a los miles de cúbits. Se trata de un modelo altamente escalable, aunque todavía reciente en comparación con otras plataformas.
• Computadora cuántica de puntos cuánticos: este modelo utiliza semiconductores a nanoescala para atrapar y manipular electrones individuales. Construidos con los mismos materiales que los chips clásicos, encajan de manera natural en la tecnología de semiconductores existente. Sin embargo, la dificultad estriba en mantener la coherencia de esos delicados estados cuánticos a escalas tan diminutas.
• Computadora cuántica topológica: este enfoque, defendido por Microsoft, pretende aprovechar los anyones, cuasipartículas exóticas que se cree que forman la base de los cúbits topológicos [↧]. En teoría, estos cúbits podrían ser mucho más resistentes al ruido cuántico que otros diseños, pero el concepto no se ha demostrado hasta la fecha.

Cada uno de estos enfoques conlleva ventajas y desventajas –velocidad frente a estabilidad, escalabilidad frente a control– y ninguno se ha alzado como el camino definitivo. Juntos, sin embargo, proporcionan algunos de los ejemplos de computadoras cuánticas más sorprendentes y demuestran cómo pueden diseñarse diversos sistemas físicos para aprovechar los principios subyacentes de la mecánica cuántica.

Las normas impulsan la era cuántica

La computación cuántica ya no es una visión lejana: ya está aquí en sus formas más tempranas. A través de plataformas en la nube, los investigadores y las empresas pueden realizar experimentos en máquinas reales, normalmente armadas con apenas unas pocas docenas de cúbits. Por modestos que sean, estos prototipos demuestran que las extrañas reglas de la mecánica cuántica pueden convertirse en computación funcional.

El desafío es ahora la coherencia, no solo en los cúbits, sino en todo este campo. A medida que se multiplican los diseños, el riesgo es la fragmentación: plataformas en liza y cada una hablando su propio idioma. Para contrarrestarlo, la computación cuántica cuenta con su propio comité técnico: ISO/IEC JTC 3. Creado en 2024, reúne a expertos de todo el mundo para definir normas comunes acerca de cómo se describen, construyen y conectan los sistemas cuánticos.

Las normas no frenan la computación cuántica: le dan un rumbo. Proporcionan el soporte invisible para la interoperabilidad y la confianza y convierten los avances aislados en un ecosistema común. Con las normas, este campo puede ir más allá de deslumbrantes experimentos para convertirse en un sector con el poder de transformar las finanzas, la sanidad, la logística y mucho más.

• ISO/IEC 4879:2024Information technology — Quantum computing — Vocabulary

Horizontes cuánticos

Con las normas sentando las bases, los experimentos dispersos de hoy se están convirtiendo en un ecosistema conectado, una base fundamental porque la computación cuántica no consiste solo en máquinas más rápidas, sino en reimaginar lo que es posible. Al convertir las reglas de la física en herramientas de computación, estamos al borde de descubrimientos que la tecnología clásica nunca podría alcanzar.

El camino que debemos recorrer será largo y estará lleno de ruido, errores y obstáculos técnicos. Sin embargo, la historia demuestra que todos los grandes saltos de la computación –desde los tubos de vacío hasta los microchips y la nube– empezaron con frágiles prototipos y una imaginación audaz. La cuántica no escapa a esta máxima.

Lo que hace extraordinario este momento es que estamos presentes desde el principio. Los avances del mañana se basarán en las preguntas que nos hagamos hoy. La computación cuántica no es un futuro lejano, sino una revolución que está ocurriendo ya.

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Glosario

• Algoritmo (cuántico): algoritmo para su uso en un procesador cuántico
  Nota: Es posible diseñar algoritmos cuánticos de tal manera que haya que ejecutarlos varias veces para obtener el resultado deseado; por ejemplo, para contrarrestar el ruido o como medio para implementar un algoritmo objetivo de manera eficiente mediante circuitos cuánticos aproximados.
  [Adaptación de ISO/IEC 4879:2024, 3.4.9]
• Algoritmo de Grover: algoritmo cuántico para la búsqueda en una base de datos sin ordenar con aceleración cuadrática en comparación con los algoritmos clásicos
• Algoritmo de Shor: algoritmo basado en la transformada de Fourier cuántica para factorizar un número entero (grande)
  [ISO/IEC 9594-12:2025, 3.2.23, traducción no oficial]
• Amenaza para RSA: riesgo para los sistemas criptográficos RSA derivado de la capacidad de los algoritmos cuánticos para factorizar números enteros grandes de manera eficiente
• Bit, dígito binario: cualquiera de los dígitos 0 o 1 cuando se utilizan en el sistema binario
  [ISO/IEC 2382:2015, 2121573, traducción no oficial]
• Cifrado cuántico: uso de fenómenos de la mecánica cuántica para garantizar una comunicación segura, normalmente mediante la distribución cuántica de claves
• Circuito cuántico: combinación o secuencia de puertas cuánticas y otras operaciones
  Nota: Se suelen diseñar circuitos cuánticos para realizar funciones más complejas que las puertas individuales.
  [Adaptación de ISO/IEC 4879:2024, 3.4.5]
• Coherencia (cuántica): existencia o alcance de relaciones de fase inequívocas entre los posibles estados de un sistema cuántico
  [Adaptación de ISO/IEC 4879:2024, 3.2.18]
• Computadora clásica: computadora que procesa información utilizando bits clásicos
• Computadora cuántica: un procesador cuántico totalmente programable capaz de implementar o aproximar cualquier dinámica unitaria definida dentro de su espacio de Hilbert completo
  Notas:
  - En la computación cuántica basada en circuitos, una computadora cuántica tiene acceso a un conjunto universal de puertas cuánticas.
  - Las computadoras cuánticas suelen utilizar información cuántica codificada en cúbits.
  [Adaptación de ISO/IEC 4879:2024, 3.4.10]
• Computadora cuántica de iones atrapados: computadora cuántica que utiliza átomos cargados (iones) suspendidos en el espacio y manipulados con láseres
  [ISO/IEC 27565:2026, 3.26, Traducción no oficial]
• Corrección de errores (cuántica): procedimiento para diagnosticar y corregir errores en los componentes de un cúbit lógico sin medir ninguna información cuántica codificada de forma lógica, aprovechando las simetrías del cúbit lógico
  [Adaptación de ISO/IEC 4879:2024, 3.4.6]
• Criptografía (cuántica): criptografía que utiliza la comunicación cuántica de manera fundamental
  [ISO/IEC 4879:2024, 3.6.2, traducción no oficial]
• Cúbit: sistema cuántico con dos estados base
  Nota: «cúbit» es la abreviatura de «bit cuántico»; es la unidad más pequeña de información cuántica.
  [Adaptación de ISO/IEC 4879:2024, 3.3.3]
• Cúbit topológico: cúbit el que la información cuántica se codifica en las propiedades topológicas de un sistema, lo que le confiere una resistencia inherente a determinados tipos de errores
  Nota: Los cúbits topológicos suelen relacionarse con los modos cero de Majorana para la computación cuántica tolerante a fallas.
• Decoherencia: pérdida o degradación de la coherencia cuántica
  [Adaptación de ISO/IEC 4879:2024, 3.2.19]
• Distribución cuántica de claves (QKD): uso de fenómenos cuánticos con propósitos criptográficos
  [ISO/TS 80004-12:2016, 6.6, traducción no oficial]
• Entrelazamiento: propiedad de un estado cuántico dentro de un sistema cuántico compuesto, formado por al menos dos subsistemas, en el que dicho estado cuántico no se puede describir en términos de características independientes de sus componentes individuales
  [ISO/IEC 4879:2024, 3.2.10, traducción no oficial]
• Interferencia: superposición coherente de las funciones de onda (estados cuánticos) de un sistema físico
  [ISO/TS 80004-12:2016, 2.7, traducción no oficial]
• Medición (cuántica): proceso que da como resultado una propiedad física de un estado cuántico
  Nota: La medición cuántica suele implicar la interacción con un sistema de medición que codifica el resultado de la propiedad física.
  [Adaptación de ISO/IEC 4879:2024, 3.2.16]
• Procesador cuántico: dispositivo físico que realiza el procesamiento de información cuántica
  [ISO/IEC 4879:2024, 3.4.8, traducción no oficial]
• Puerta cuántica: operación cuántica aplicada que transforma los estados cuánticos de entrada en estados cuánticos de salida
  [Adaptación de ISO/IEC 4879:2024, 3.4.2]
• Puerta de Hadamard: puerta cuántica que coloca un cúbit en una superposición de estados
  Nota: La puerta de Hadamard se utiliza a menudo al inicio de los algoritmos cuánticos.
• Ruido cuántico: perturbación en un sistema cuántico que afecta su estado y provoca errores o la pérdida de coherencia
• Superposición: combinación lineal compleja de dos o más estados cuánticos diferentes
  [ISO/IEC 4879:2024, 3.2.8, traducción no oficial]
• Supremacía cuántica: punto en el que una computadora cuántica realiza un cálculo que resulta inviable para las computadoras clásicas dentro de los límites prácticos de recurso
• ​​​Trampa iónica: arquitectura de procesador cuántico que utiliza iones confinados por campos electromagnéticos como cúbits, manipulados con láseres