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Ordenadores cuánticos: qué son, cómo funcionan y su potencial futuro
La computación cuántica utiliza principios de la mecánica cuántica para resolver problemas complejos que los ordenadores clásicos no pueden abordar con eficiencia.
Los cúbits y la superposición son fundamentales: permiten que los ordenadores cuánticos procesen información de forma exponencialmente más potente y versátil.
Desafíos técnicos y aplicaciones: la decoherencia cuántica, el control de errores y la escalabilidad siguen siendo obstáculos clave, pero sectores como la criptografía, la inteligencia artificial y la química esperan grandes avances.
En la actualidad, la computación cuántica se está posicionando como una de las revoluciones tecnológicas más prometedoras y fascinantes del mundo digital y científico. El interés por los ordenadores cuánticos está creciendo a pasos agigantados, tanto en la investigación académica como en la industria tecnológica, y cada nuevo avance despierta grandes expectativas sobre su potencial para transformar campos enteros de la ciencia, la informática y la economía. Sin embargo, todavía existe mucho desconocimiento y cierta confusión sobre cómo funcionan estos sistemas, qué los diferencia de la computación tradicional y, sobre todo, en qué ámbitos podrán marcar realmente la diferencia.
En este artículo te vamos a explicar con todo detalle y en un lenguaje claro y cercano qué es exactamente un ordenador cuántico, cómo se construyen y se programan, cuáles son los principios físicos que los hacen posibles, a qué retos se enfrentan todavía para llegar a ser prácticos, y qué aplicaciones reales podrían tener en el futuro cercano. Todo ello con el objetivo de ofrecerte la visión más completa y actual, integrando información de fuentes líderes y ahondando en los aspectos técnicos y prácticos que debes conocer si te interesa la informática del mañana.
El ordenador cuántico es una máquina capaz de procesar información utilizando las leyes de la mecánica cuántica, el conjunto de principios físicos que gobiernan el comportamiento de la materia y la energía a escalas subatómicas. En esencia, se trata de sistemas informáticos que funcionan de un modo radicalmente distinto a los ordenadores clásicos, cuyo pilar básico son los bits (valores binarios 0 y 1). Los ordenadores cuánticos, en cambio, trabajan con cúbits o qubits—abreviatura de «quantum bits»—que pueden representar simultáneamente los estados 0 y 1, junto a todos los estados intermedios posibles gracias a fenómenos como la superposición cuántica y el entrelazamiento.
Este paradigma hace que, teóricamente, la capacidad de procesamiento y de resolución de ciertos problemas crezca de manera exponencial con cada nuevo cúbit añadido al sistema, lo que permite atacar tareas imposibles en la práctica para cualquier superordenador tradicional. Temas como la simulación de materiales y moléculas complejas, la optimización de rutas y recursos, así como la criptografía avanzada, son algunos ejemplos donde la computación cuántica podría suponer un salto de gigante.
Historia y desarrollo de la computación cuántica
El nacimiento de la computación cuántica como disciplina teórica tuvo lugar en los años ochenta, cuando científicos como Richard Feynman y David Deutsch plantearon la pregunta de si una máquina basada en la física cuántica podría ir mucho más allá de los límites de los ordenadores clásicos. En 1998, un equipo formado por Isaac Chuang (Laboratorio Nacional de Los Álamos), Neil Gershenfeld (MIT) y Mark Kubinec (Universidad de California en Berkeley), desarrolló el primer ordenador cuántico funcional de 2 qubits, estableciendo la viabilidad experimental de esta nueva forma de computación, aunque la coherencia de su sistema se mantenía apenas unos nanosegundos.
Desde aquellos experimentos iniciales, el campo ha evolucionado enormemente. Empresas como IBM, Google, Microsoft, Google Quantum AI, Quantinuum, D-Wave y otras están liderando una carrera global por alcanzar la supremacía cuántica: el punto en el que un ordenador cuántico puede resolver un problema que sería inviable para cualquier máquina clásica. Este objetivo está cada vez más cerca gracias a la integración de decenas, y pronto miles, de cúbits capaces de operar de manera coordinada y estable.
Cómo funciona realmente un ordenador cuántico
Para entender la diferencia esencial entre la computación clásica y la cuántica, primero hay que repasar cómo se representa la información en cada caso. Los ordenadores de toda la vida utilizan bits, que sólo pueden tomar el valor 0 o 1 en cada instante. Estos bits se agrupan en grupos de 8 (bytes), 16, 32, etc., permitiendo codificar información y realizar operaciones lógicas mediante la utilización de puertas lógicas clásicas (AND, OR, NOT, etc.), basadas en el álgebra de Boole.
En cambio, los cúbits pueden encontrarse en una superposición de los estados 0 y 1 al mismo tiempo, con una cierta probabilidad para cada uno. Esto significa que, mientras un bit clásico sólo puede representar un estado a la vez, un cúbit puede almacenar y procesar muchísima más información simultáneamente. Cuando varios cúbits se combinan y se entrelazan, el sistema global puede representar 2^n posibles estados diferentes para «n» cúbits, una capacidad inmensa respecto a la computación binaria tradicional.
Superposición cuántica
La superposición es uno de los fenómenos más asombrosos de la mecánica cuántica. Un cúbit puede encontrarse en cualquier combinación lineal entre el 0 y el 1. Esto es clave, porque permite realizar cálculos paralelos en una única operación cuántica, lo que multiplica exponencialmente la capacidad de procesamiento de un ordenador cuántico respecto a uno clásico.
Entrelazamiento cuántico
El entrelazamiento consiste en la capacidad de dos o más cúbits para compartir un estado cuántico común, de forma que lo que le ocurra a uno de ellos afecta instantáneamente a los demás, aunque estén separados físicamente. Este fenómeno, sin equivalente en la física clásica, amplía aún más el potencial de la computación cuántica al permitir que gran parte de los cálculos se transmitan o se correlacionen de forma instantánea a través del sistema.
Interferencia cuántica
Junto a la superposición y el entrelazamiento, la interferencia es un ingrediente esencial de cualquier ordenador cuántico. Cuando se construye un circuito cuántico, se utiliza la interferencia para «anular» algunos resultados de las operaciones y «reforzar» otros, de modo que al medir el sistema, las soluciones correctas tengan una probabilidad amplificada de aparecer. Así, los algoritmos cuánticos pueden filtrar y seleccionar las respuestas más adecuadas entre un mar de posibilidades.
Las puertas lógicas cuánticas
Mientras que los ordenadores clásicos emplean puertas lógicas tradicionales, los cuánticos usan puertas lógicas cuánticas, como la Hadamard, CNOT, Pauli, Toffoli, SWAP y otras. Estas puertas son responsables de manipular el estado cuántico de los cúbits mediante operaciones matemáticas complejas, normalmente representadas por matrices. Básicamente, cada operación lógica es una transformación del estado de los cúbits, permitiendo la construcción de algoritmos cuánticos muy versátiles y potentes.
Procesadores y componentes físicos
Los procesadores cuánticos suelen estar construidos con materiales superconductores que funcionan a temperaturas extremadamente bajas (milésimas de grado por encima del cero absoluto, es decir, unos -273ºC). Gracias a la superconductividad, los electrones pueden moverse sin resistencia, lo que reduce las pérdidas de energía y el calor generado. Para mantener estas condiciones se emplean potentes sistemas de refrigeración criogénica, siendo uno de los mayores desafíos técnicos el aislamiento térmico y electromagnético del sistema.
Las tecnologías más habituales en la actualidad para construir cúbits incluyen las uniones Josephson (en procesadores superconductores, habituales en IBM y Google), los iones atrapados, los átomos neutros, y los circuitos fotónicos, entre otras. Cada enfoque tiene ventajas y retos particulares en cuanto a estabilidad, escalabilidad y facilidad de operación.
Diferencias clave entre ordenadores cuánticos y tradicionales
Las diferencias entre un ordenador cuántico y uno clásico son enormes en casi todos los sentidos:
Velocidad de cálculo: Mientras que los ordenadores clásicos están condicionados por la velocidad de sus transistores, la computación cuántica puede, en teoría, resolver ciertos problemas de manera exponencialmente más rápida gracias al paralelismo cuántico y la superposición.
Capacidad de almacenamiento y procesamiento: Un ordenador cuántico de n cúbits puede representar 2^n estados simultáneamente, frente al crecimiento lineal de los bits clásicos.
Errores y fiabilidad: Los cúbits son muy susceptibles a errores y interferencias externas, por lo que los sistemas de corrección de errores son mucho más complejos y, hoy por hoy, el principal cuello de botella para escalar sistemas útiles a gran escala.
Consumo y coste energético: Aunque mantener la criogenia y el aislamiento térmico requiere mucha energía, el cálculo cuántico podría ser mucho más eficiente si se compara la energía invertida por cálculo realizado en tareas realmente complejas.
Coste económico: Construir y operar ordenadores cuánticos sigue siendo carísimo, en gran parte por la dificultad de fabricar y mantener los cúbits y el equipo especializado necesario.
Cúbits: la unidad mínima de información cuántica
El cúbit, o bit cuántico, es la equivalente cuántica del bit clásico. Pero, a diferencia de este último, puede encontrarse en cualquier combinación de los estados 0 y 1 gracias a la superposición. Además, puede entrelazarse con otros cúbits, lo que permite manipular información de manera colectiva y obtener resultados que serían imposible con datos aislados.
La capacidad de añadir más cúbits a un procesador cuántico conlleva un crecimiento exponencial del espacio de estados posibles. Por ejemplo, 2 cúbits representan 4 combinaciones posibles (00, 01, 10, 11); 3 cúbits, 8; 10 cúbits, 1024, y así sucesivamente. Gracias a esto, un aumento de sólo un cúbit implica doblar el universo de estados que el ordenador puede manipular.
Materiales y tecnologías utilizadas
La mayoría de procesadores cuánticos actuales, como los de IBM, Google o Qilimanjaro Quantum Tech, emplean materiales superconductores (a menudo aluminio en substratos de silicio o zafiro). La elección de materiales busca reducir los errores por ruido ambiental y prolongar el tiempo de coherencia, es decir, el tiempo durante el cual los cúbits mantienen su estado cuántico sin perder información.
En cuanto a sostenibilidad, a diferencia de tecnologías como las baterías de litio o cobalto, los cúbits superconductores no requieren materiales especialmente raros o difíciles de extraer actualmente, lo que puede facilitar su desarrollo futuro a gran escala. Sin embargo, la producción de los chips implica la utilización de salas blancas y equipo de alta precisión, con el consiguiente impacto económico y energético.
Coherencia y decoherencia cuántica: el talón de Aquiles
Uno de los grandes retos de la computación cuántica es mantener la coherencia de los cúbits. El entorno físico debe estar extraordinariamente aislado para que los cúbits permanezcan en superposición y entrelazados durante el tiempo suficiente para realizar los cálculos necesarios.
La decoherencia cuántica ocurre cuando el sistema interactúa con el exterior (por ejemplo, mediante calor, radiación, vibraciones…), provocando que los cúbits colapsen a un estado clásico y se pierdan los efectos cuánticos. Este fenómeno limita tanto el tamaño de los sistemas como el tipo de problemas que se pueden abordar de manera fiable.
Los ordenadores cuánticos trabajan a temperaturas próximas al cero absoluto para minimizar la energía térmica y reducir el ruido. No obstante, mantener esta criogenia consume grandes cantidades de energía y supone un reto de ingeniería notable. Cuanto más se incrementa el número de cúbits, más complicado resulta evitar la decoherencia y los errores, lo que obliga a desarrollar sistemas avanzados de corrección de errores cuánticos.
El problema del control y los errores cuánticos
Los cúbits son dispositivos extremadamente sensibles, no sólo a la temperatura, sino también al ruido electromagnético, radiaciones ambientales (como las partículas cósmicas), vibraciones mecánicas y hasta defectos en los materiales. Cuando un cúbit pierde su estado cuántico por cualquiera de estas causas, se producen errores que pueden corromper el resultado del cálculo.
Por ello, uno de los grandes frentes de investigación es el desarrollo de cúbits de mayor calidad, técnicas sofisticadas de corrección de errores y métodos de control preciso para manipular cada cúbit de manera rápida y fiable. El aumento progresivo del número de cúbits en los prototipos actuales obliga a mejorar estas tecnologías de forma constante.
Investigadores y empresas como IBM, que tiene previsto lanzar máquinas de hasta 100.000 cúbits, están centrando muchos esfuerzos en la reducción de los errores, tanto en el hardware (físico) como en el software de control, para poder escalar los sistemas y que sean realmente útiles en la práctica.
La supremacía cuántica: ¿un antes y un después?
El término supremacía cuántica se refiere al momento en que un ordenador cuántico es capaz de superar, en la práctica, a cualquier ordenador clásico en la resolución de un problema concreto. Para considerar que un sistema ha alcanzado esta meta, se exige que la máquina cuántica resuelva una tarea en un tiempo inasumible para cualquier supercomputador convencional.
Hasta ahora, Google y un equipo liderado por Jian-Wei Pan en China han sido los únicos grupos que han declarado haber conseguido esta supremacía, aunque los problemas resueltos han sido más bien académicos y de utilidad limitada. Por ejemplo, el procesador Sycamore de Google, con 53 cúbits superconductores, resolvió una tarea de generación de números pseudoaleatorios que ningún superordenador clásico pudo replicar en tiempo razonable.
El debate sigue abierto sobre la relevancia práctica de estos logros y sobre si se puede considerar ya alcanzada la auténtica supremacía cuántica, pero lo que está claro es que la tendencia es imparable y que cada vez más países y empresas se suman a la carrera global.
La era NISQ: presente y futuro inmediato
Actualmente nos encontramos en lo que se denomina la era NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum), una etapa en la que existen procesadores cuánticos con decenas o cientos de cúbits, pero cuya calidad y estabilidad todavía son insuficientes para realizar cálculos generales fiables.
La principal limitación es el ruido y la posibilidad de errores durante la operación, lo que condiciona la escala y utilidad de los sistemas actuales. A pesar de ello, las investigaciones en corrección de errores y el desarrollo de sistemas híbridos—que combinan ordenadores clásicos y cuánticos—están permitiendo logros cada vez más relevantes, acercándonos al momento en que la computación cuántica realmente útil será una realidad cotidiana.
¿Para qué sirve un ordenador cuántico? Aplicaciones más prometedoras
El potencial de la computación cuántica es enorme, aunque sus aplicaciones reales todavía están en fase de desarrollo. Entre los campos que podrían beneficiarse en los próximos años destacan:
Criptografía: Los ordenadores cuánticos pueden romper sistemas de encriptación clásicos, como RSA, mediante algoritmos cuánticos específicos como el de Shor. Esto plantea la necesidad de desarrollar nuevas formas de criptografía post-cuántica.
Inteligencia artificial y machine learning: La capacidad de entrenar modelos complejos y analizar grandes cantidades de datos podría incrementarse con algoritmos cuánticos capaces de encontrar soluciones óptimas más rápido y de realizar cálculos imposibles para sistemas tradicionales.
Simulación de materiales y química molecular: Una de las áreas donde la ventaja cuántica parece más inminente es la simulación de moléculas y materiales a nivel subatómico, algo que los ordenadores clásicos sólo pueden aproximar en casos muy simples.
Optimización de procesos: Problemas de rutas, logística, distribución de recursos y gestión eficiente de procesos industriales podrían resolverse mucho más eficazmente a través del procesamiento cuántico.
Investigación médica y farmacéutica: El diseño de medicamentos, el modelado de proteínas y la predicción de reacciones biológicas complejas están entre las aplicaciones más ambiciosas de la computación cuántica.
A pesar de estos avances, la mayoría de los cálculos realizados hoy en día en laboratorios y empresas se efectúan sobre simuladores cuánticos en ordenadores clásicos, ya que sólo existen unos pocos algoritmos cuánticos prácticos y la programación para estos sistemas es todavía un desafío importante.
Principales proyectos y jugadores en la computación cuántica
A nivel internacional, grandes empresas tecnológicas han marcado hitos importantes en el avance del hardware y el software cuánticos. Muchas de ellas ofrecen ya plataformas accesibles en la nube para experimentar con algoritmos y simulaciones cuánticas:
IBM Quantum: líder en el desarrollo de procesadores superconductores de decenas y cientos de cúbits, con acceso a través de IBM Cloud y colaboraciones con diversas instituciones internacionales.
la próxima generación de sistemas de hasta 100.000 cúbits en colaboración con universidades de primer nivel.
Google Quantum AI: responsable del procesador Sycamore y de avances notables en supremacía cuántica, continúa ampliando el número y la calidad de sus cúbits.
: apuesta por la computación cuántica analógica, centrada en problemas de optimización matemática (QUBO) para sectores como finanzas, energía y logística.
, Amazon Web Services y : colaboran en la creación de nuevas arquitecturas, algoritmos y formas de escalar la computación cuántica a nivel comercial.
Qilimanjaro Quantum Tech: spin-off española implicada en el desarrollo de hardware e integración de procesadores cuánticos en entornos de supercomputación.
A nivel nacional, destacan iniciativas como el Barcelona Supercomputing Center y el proyecto Quantum Spain, ambos dirigidos a colocar a España en la vanguardia europea de la investigación e implementación práctica de ordenadores cuánticos.
¿Cuánto cuesta un ordenador cuántico y quién puede acceder a uno?
Hoy por hoy, adquirir un ordenador cuántico es casi exclusivo de grandes centros de investigación y empresas tecnológicas. El precio puede variar desde 5.000 dólares para sistemas mínimos de 2 cúbits hasta cifras que superan los 10 millones de dólares para sistemas con 50 cúbits o más. Cada cúbit adicional supone un incremento de costes y de complejidad técnica considerable.
La gran mayoría de los usuarios interesados pueden acceder, no obstante, a través de servicios en la nube y plataformas de simulación que permiten experimentar, aprender y probar algoritmos cuánticos sin la necesidad de disponer del hardware físico.
Impacto medioambiental y eficiencia energética
Uno de los debates emergentes sobre la computación cuántica refiere a su impacto ambiental. Si bien la refrigeración criogénica y la fabricación de chips especiales suponen un consumo energético y de recursos relevante, los cálculos actuales apuntan a que, cuando alcancen su madurez, los ordenadores cuánticos podrían ser mucho más eficientes que los superordenadores clásicos en tareas específicas.
Por ejemplo, un sistema cuántico de hasta 1.000 cúbits puede consumir lo mismo que varias viviendas unifamiliares, mientras que un superordenador tradicional puede necesitar energía equivalente a la de una pequeña ciudad. Además, la superconductividad evita la disipación de calor en el chip, a diferencia de los procesadores clásicos, donde gran parte de la electricidad se transforma en calor y obliga a invertir aún más energía en refrigeración.
En la hoja de ruta de la computación cuántica, se identifican varios desafíos cruciales que deben ser superados para que estas máquinas desempeñen un papel determinante en la ciencia y la industria:
Mejora de la calidad de los cúbits: Incrementar el tiempo de coherencia y reducir el ruido ambiental son aspectos fundamentales para que los sistemas puedan ejecutar operaciones largas y complejas sin errores.
Corrección de errores: Las estrategias para detectar y corregir errores a tiempo real aún están en fase experimental y deberán perfeccionarse para que los resultados de los cálculos cuánticos sean completamente fiables.
Desarrollo de nuevos algoritmos y herramientas: A pesar de los avances, el número de algoritmos cuánticos útiles es reducido y la programación cuántica exige dominar conceptos de física, matemáticas y computación avanzada.
Escalabilidad de la arquitectura: Lograr construir y controlar sistemas con miles o decenas de miles de cúbits exige avances en electrónica de control, procesos de fabricación y software especializado.
Integración con sistemas clásicos: Los futuros superordenadores serán, muy probablemente, híbridos: combinarán procesadores clásicos y cuánticos para aprovechar lo mejor de ambos mundos.
¿Estarán los ordenadores cuánticos en nuestras casas?
Por el momento, los ordenadores cuánticos no están pensados para sustituir a los ordenadores personales o de oficina, sino para ser integrados como aceleradores de cálculo en supercentros de computación y en servicios en la nube. Es muy probable que en los próximos cinco a diez años veamos sistemas comerciales de decenas o cientos de cúbits, aptos para la investigación y algunas aplicaciones muy concretas, pero el impacto real en la vida cotidiana aún tardará al menos 15 años según las estimaciones de los especialistas más implicados en el sector.
El ritmo de desarrollo es, no obstante, muy rápido. Grandes centros europeos como el Barcelona Supercomputing Center o instituciones alemanas y francesas ya están adoptando procesadores cuánticos en sus infraestructuras para abordar desafíos científicos y técnicos que hasta ahora eran inabordables.
Países y regiones líderes en computación cuántica
El desarrollo de la computación cuántica es una carrera global en la que participan Estados Unidos, China, la Unión Europea (destacando Alemania, España, Francia, Países Bajos), Israel, Japón, Corea del Sur, Reino Unido, Canadá, Australia, Rusia, India y otros países.
La cooperación internacional y la colaboración público-privada están desempeñando un papel esencial para acelerar el desarrollo y la adopción de la tecnología cuántica, tanto en el sector académico como en el industrial. La Unión Europea, por ejemplo, cuenta con iniciativas como y múltiples líneas de financiación para proyectos de hardware, software y formación de especialistas.
¿Qué nos espera en la próxima década?
Avances como la modularidad de los procesadores, el middleware híbrido, la integración de comunicaciones cuánticas y nuevas arquitecturas electrónicas permiten pensar que en los próximos cinco años veremos máquinas capaces de resolver problemas todavía inalcanzables para la computación clásica. El objetivo de sistemas completamente útiles (la llamada «ventaja cuántica práctica») está cada vez más cerca, aunque los expertos insisten en que la transición será progresiva y que los ordenadores clásicos seguirán siendo esenciales durante mucho tiempo.
Empresas como IBM están anunciando la llegada de superordenadores cuánticos modulares de hasta 100.000 cúbits, trabajando en colaboración con universidades y centros de investigación para hacer realidad la computación híbrida y cuántico-céntrica. Otros actores, como , apuestan por soluciones analógicas especializadas en problemas de optimización, mientras que Microsoft y Google trabajan en reducir la distancia entre cúbits físicos y lógicos para hacer más accesibles las aplicaciones cuánticas generales.
La computación cuántica está atravesando una fase apasionante en la que confluyen el avance científico, la ingeniería y las necesidades de la industria y la sociedad. Aunque aún queda mucho camino por recorrer, los esfuerzos de cientos de equipos de investigación y empresas están acercándonos a una nueva era tecnológica. El potencial de los ordenadores cuánticos para cambiar la manera en que concebimos la informática, la ciencia y la resolución de problemas complejos es inmenso. La transformación que puede traer esta tecnología aún está en sus primeras etapas, pero su impacto podría ser revolucionario en el futuro próximo, abriendo horizontes insospechados en el conocimiento y en el desarrollo de aplicaciones revolucionarias para todos los sectores.
