Quipu, el primer computador cuántico que tiene Colombia

Hace aproximadamente 1.400 años, algunas culturas ya utilizaban un peculiar y complejo sistema de registro de información en los Andes americanos. De un cordón principal, hecho de lana o algodón, colgaban cuerdas más pequeñas que formaban nudos en distintas posiciones y combinaciones. Los colores y las distancias entre ellos permitían distinguir entre unidades, decenas o centenas, formando un preciso método de contabilidad y gestión administrativa que aún hoy se sigue estudiando. Siglos más tarde, los incas, que llegaron a dominar un vasto imperio que abarcaba partes de los actuales Perú, Bolivia, Ecuador, Chile, Argentina y Colombia, adoptaron y perfeccionaron este sistema. Lo llamaron “quipus”, que en quechua significa “nudos”.

Los “quipus” fueron para los incas un instrumento de organización que facilitó la toma de decisiones en un imperio que se extendía por miles de kilómetros. Algo similar podría ser el “Quipu” que presentaron esta semana a la Universidad de los Andes, en Bogotá.

A diferencia del ancestral, este nuevo “Quipu”, como lo llamó esa universidad, cuenta con una pantalla táctil, un teclado y un pequeño “ratón”. Aunque ya no se trata de un sistema de nudos sobre cuerdas, sí involucra un complejo entramado de cables, procesadores y circuitos que permiten un procesamiento y almacenamiento de datos a un nivel avanzado. Este es el primer computador cuántico que tiene Colombia.

A simple vista, no parece un computador muy distinto al que muchos tenemos en nuestras casas y oficinas. Pero es muy diferente. Hace parte de una tecnología que, al igual que la inteligencia artificial, promete con cambiar el mundo tal como lo conocemos hoy.

¿Qué carajos es un computador cuántico?

La pregunta hace que algunos ingenieros y físicos de la Universidad de los Andes titubeen. No es sencillo explicar algo que incluso ellos mismos están terminando de comprender. Para hacerlo, hay que explicar brevemente qué es la mecánica cuántica.

“A finales del siglo XIX, el campo de la física estaba en un muy buen momento”, dice Chad Leidy, profesor del departamento de Física de la Universidad de los Andes. Las leyes de Newton y teorías matemáticas como las propuestas por los científicos Joseph-Louis Lagrange y William Rowan Hamilton explicaban muy bien la naturaleza de nuestro mundo, desde el movimiento de las partículas más pequeñas hasta el de los planetas en el espacio. “Parecía que estaba todo hecho, que solo faltaba afinar cosas. Sin embargo, a principio del siglo XX se vivió un revolcón monumental”.

A principios de ese siglo, los científicos comenzaron a notar que algunas cosas se comportaban de una manera extraña, que no entraba en lo que hasta ese momento se creía. “Puede que los humanos seamos muy dados a clasificar, a tener categorías. Entonces, creíamos que los objetos podían ser una onda o una partícula”, explica Alejandra Valencia González, doctora y profesora de Física de Uniandes. La luz, entonces, se entendía como una onda (como cuando lanzamos una piedra al agua y se forman ondas que se propagan), mientras que los electrones se pensaban como partículas diminutas, algo así como pequeñas bolas que se mueven por el espacio.

Los experimentos de principios del siglo XX, sin embargo, comenzaron a mostrar que la luz podía comportarse como una partícula, y que los electrones podían comportarse como ondas. “Realmente era intrigante lo que estaba pasando. Nace entonces la mecánica cuántica gracias a todos esos extraños comportamientos”, dice Leidy.

Científicos como Max Planck, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Paul Dirac y Niels Bohr ayudaron a cambiar completamente la forma de pensar que tenían los físicos. En términos bastante generales, nos enseñaron que hay dos mundos: el macromundo, que es el mundo en el que vivimos, donde las cosas siguen reglas claras y predecibles (como un carro moviéndose por la calle), y el mundo cuántico, el mundo de las partículas más pequeñas, donde las cosas se comportan de manera extraña. En el mundo cuántico, las partículas no siguen caminos fáciles de predecir.

“La certeza se diluyó. Fue reemplazada por una fascinante y palpitante falta de precisión. La física ya no se iba a dedicar a darnos comportamientos perfectamente determinados, más bien se iba a dedicar a darnos las probabilidades de que algo fuera una cosa o la otra, o estuviera en un lugar o en otro. Complicado. En cierto sentido, es escalofriante e incómodo esta falta de certeza”, reconoce Leidy. ¿A qué se refiere? Por lo menos, a un comportamiento muy importante: el de la superposición cuántica.

Hay que suponer, entonces, que al tirar una moneda al aire, cae sobre la mesa. Cuando la mira, sabe que tiene dos opciones: o es cara o es sello. Hasta este punto, todo parece normal y está dentro de lo que conocemos en el mundo macroscópico, el mundo de las cosas grandes, como las monedas o los planetas.

Ahora, si trasladamos el ejemplo al mundo cuántico, donde viven los átomos y las partículas subatómicas, hay que suponer que tenemos una moneda cuántica y la tiramos al aire. Antes de mirarla, la moneda no está ni en cara ni en sello de manera definida. En lugar de eso, puede estar en una “mezcla” de ambos estados: tiene una probabilidad de estar en cara y una probabilidad de estar en sello, o puede estar en sello y en cara al mismo tiempo. Esto es lo que se conoce como superposición cuántica. En el mundo cuántico, las partículas pueden estar en múltiples estados a la vez.

¿Qué tiene que ver eso con un computador? “En el siglo XXI se han desarrollado tecnologías que han logrado hacer experimentos que nos permiten un gran control. Ahora, podemos ser domadores de esas partículas cuánticas. Podemos controlarlas hasta un punto tal que ya desarrollamos aplicaciones basadas en ellas”, explica la profesora Valencia. El computador que usted tiene en su casa funciona como funciona el mundo macroscópico. El “lenguaje” que usa ese computador se conoce como bits, los “ladrillos” básicos de la información.

Un bit puede ser solo uno de dos valores: 0 o 1. Es como si tuviéramos un interruptor que puede estar apagado (0) o encendido (1). Cuando juntamos muchos bits, podemos representar cosas más complicadas, como letras, números o imágenes.

Sin embargo, los computadores cuánticos funcionan en una gama más amplia. Usan tecnología cuántica y principios como el de la superposición para que el 1 pueda ser un poco 0 y el 0 pueda ser un poco 1. O para que entre el 1 y el 0 haya un montón de posibilidades. “Esta mecánica permite que esos unos y ceros se vuelvan probabilidades de ser algo como un 1 y algo como un 0, una mezcla. Al tener la capacidad de controlar esta probabilidad utilizando tecnologías cuánticas, se aumenta nuestra capacidad para procesar y almacenar información”, dice Leidy. Los computadores cuánticos no usan bits, y sí algo que sé conoce como qubits (la abreviatura de “bits cuánticos”).

Esto es lo que le otorga a la computación cuántica su capacidad para realizar cosas que los computadores clásicos no pueden hacer. Y ¿qué es eso que pueden hacer?

El futuro de Quipu

En 2019, un computador cuántico de Google, logró resolver un problema de simulación de física en 200 segundos. Resolver ese mismo problema le habría llevado 10.000 años a una supercomputadora clásica. Por primera vez en la historia, un ordenador cuántico había realizado una tarea que ningún ordenador clásico podía realizar en un tiempo razonable. El procesador Sycamore, el computador de Google, tenía 53 qubits. Desde entonces, empresas como IBM han logrado ordenadores con más de 100 qubits.

El número de qubits es importante: a más qubits, mayor es la capacidad para realizar cálculos complejos. Los científicos creen que en esa capacidad está un apoyo a la solución de problemas como el cambio climático y la producción de energía limpia.

En junio de este año, por ejemplo, investigadores de la Universidad de Oxford y de la Universidad de Nueva York publicaron un estudio en la revista Joule que precisamente detalla algunas de esas posibilidades. Su trabajo se centró en Reino Unido. En ese país, los operadores eléctricos dependen de computadoras clásicas para planificar las ampliaciones de la red eléctrica y programar cuándo se debe producir energía a partir de diferentes fuentes. El estudio mostró que las computadoras cuánticas pueden ayudar a planificar mejor el uso de energía, especialmente con fuentes renovables como el viento y el Sol. Los investigadores usaron algoritmos cuánticos para decidir de manera más eficiente cuándo y dónde generar energía a partir de estas fuentes renovables.

“Va a haber una transformación muy rápida de la tecnología, una transformación muy profunda de la sociedad y va a pasar más rápido de lo que nosotros como humanos estamos preparados para aceptar. Muchas cosas que hoy tienen sentido, muchas cosas que hoy se hacen de una cierta manera, se van a hacer de formas completamente diferentes con la computación cuántica”, señala Mario Sánchez, director del departamento de Ingeniería de Sistemas de la Universidad de los Andes.

No es el único que lo cree. Las Naciones Unidas han proclamado el año 2025 como el Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas, justo el año en el que se conmemoran los 100 años desde el desarrollo inicial de la mecánica cuántica. Según la ONU, “de cara al futuro, la ciencia y la tecnología cuántica serán un campo científico transversal clave en el siglo XXI, y tendrán un enorme impacto en los desafíos sociales críticos que destacan los Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas para 2030, como el clima, la energía, la seguridad alimentaria y el agua potable”.

Pero para las Naciones Unidas, el primer paso antes de lograr eso es “inspirar a los jóvenes, procedentes de todo el mundo, para que sean la próxima generación de pioneros cuánticos que vean más allá de las superficies y pantallas que los rodean y utilicen la ciencia cuántica para marcar una diferencia positiva en la vida de los demás”.

En la Universidad de los Andes creen que Quipu, un computador cuántico con 2 qubits, es el camino para hacerlo. “A primera vista, parece poco útil, ingenua esta compra de este computador. Alguien dirá, pero si solo tiene poquitos qubits, solo dos, ¿eso qué tanto puede hacer? Los invito a ver mucho más allá de esa visión un poco angosta”, dice Leidy. “No es lo mismo que te cuenten cómo funciona un computador cuántico, a verlo trabajar con tus propios ojos, tocarlo, jugar tú mismo con los unos y los ceros. Entonces, estamos sumergiéndonos ya de lleno en ese mundo de incertidumbre, donde solo vas a crecer como estudiante y empoderarte de un futuro que ya está aquí”.

“Este computador llega como una herramienta educativa. A través de él, vamos a acercar y preparar a esos profesionales del futuro de la tecnología cuántica”, agrega la profesora Valencia.

¿Quién tiene acceso a una educación en ciencias de la información cuántica? ¿Cómo podría influir esto a quienes participan en el campo? Un grupo de investigadores en educación en física de Estados Unidos publicó a mediados de este año una investigación que se hace esos cuestionamientos. Los científicos se preguntaron si los estudiantes de todos los orígenes en los EE. UU. tienen el mismo acceso a la educación en ciencias de la información cuántica. Para ello, recopilaron información sobre la distribución de los cursos de información cuántica en 456 instituciones de educación superior en el 2022.

Más allá de los datos particulares para ese país que encontraron, algunas de sus conclusiones apuntan a que, “si bien las nuevas tecnologías aportan muchos beneficios, también suelen traer consigo daños inesperados. Sin la participación de personas de todos los orígenes, esos daños pueden afectar a ciertos grupos más que a otros”, resumen en una columna en The Conversation. La carrera por alcanzar mayores niveles y conocimientos en tecnología cuántica está disparada y el temor de muchos científicos, y de la propia ONU, es que la computación cuántica (y las demás aplicaciones de las cualidades cuánticas en herramientas) cree nuevas brechas en el mundo.

“Estoy seguro de que el impacto de este computador no se va a limitar a nuestros estudiantes; llegará a muchas personas más”, dice Sánchez. “Esos niños de colegio van a decir algo como: ‘¡Wow, eso es un computador cuántico! ¡Hay un computador cuántico en Colombia! ¡La computación cuántica la podemos hacer en Colombia!’. Yo no puedo predecir qué será, pero creo que algo va a pasar en la cabeza de esos niños”.

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