¿Qué es un qubit?

Un qubit, o bit cuántico, es la unidad básica de información utilizada para codificar datos en computación cuántica, y puede entenderse como el equivalente cuántico del bit tradicional que usan los ordenadores clásicos. A diferencia de los bits, que sólo pueden estar en estado 0 o 1, los qubits pueden representar ambos estados simultáneamente gracias a las propiedades de la mecánica cuántica.

El término «qubit» fue propuesto por el físico teórico Benjamin Schumacher. Los qubits se construyen manipulando partículas subatómicas como fotones, electrones, iones atrapados, circuitos superconductores o átomos neutros. Estos sistemas cuánticos de dos niveles permiten almacenar y procesar información con una eficiencia imposible de alcanzar con tecnología clásica.

Comprender la computación cuántica

La computación cuántica utiliza qubits para realizar operaciones a velocidades que, en muchos casos, superan por mucho las capacidades de los superordenadores tradicionales. Esto se debe a que los qubits aprovechan los fenómenos de superposición, entrelazamiento y coherencia cuántica. Estas propiedades les permiten explorar simultáneamente múltiples soluciones a problemas complejos, como el modelado molecular, la optimización de rutas logísticas o el entrenamiento de modelos de inteligencia artificial.

Qubits vs. bits clásicos

Un bit clásico solo puede existir en uno de dos estados: 0 o 1. En cambio, un qubit puede estar en una superposición de ambos, lo que significa que puede representar simultáneamente el 0 y el 1 con cierta probabilidad. Además, cuando varios qubits están entrelazados, forman sistemas cuánticos interdependientes que procesan información de forma colectiva.

Por ejemplo, mientras que dos bits clásicos pueden representar una de cuatro combinaciones (00, 01, 10, 11), dos qubits pueden representar las cuatro combinaciones a la vez. Esta diferencia fundamental es lo que da a la computación cuántica su gran potencial.

¿Cómo funcionan los qubits?

Los qubits se manipulan mediante operaciones cuánticas que modifican su estado de superposición. Estas operaciones se realizan mediante impulsos electromagnéticos, láseres u otras técnicas específicas al tipo de qubit utilizado. Para mantener su estado cuántico, los qubits deben estar aislados de su entorno y a temperaturas extremadamente bajas, lo que requiere condiciones de laboratorio altamente controladas.

El estado de un qubit se mide en función de su función de onda, una representación matemática que describe la probabilidad de encontrar al qubit en determinado estado cuando es observado.

Entrelazamiento cuántico

El entrelazamiento cuántico es una propiedad por la cual dos qubits están correlacionados de forma que el estado de uno determina instantáneamente el estado del otro, incluso si están separados por grandes distancias. Esta propiedad, descrita por Einstein como «acción fantasmal a distancia», es fundamental para lograr comunicaciones cuánticas seguras y para el procesamiento paralelo cuántico.

Tipos de qubits y sus ventajas

Como cualquier sistema cuántico de dos niveles puede usarse como qubit, existen varias tecnologías en desarrollo, cada una con ventajas distintas:

Superconductores

Fabricados con materiales que presentan resistencia cero a temperaturas cercanas al cero absoluto. Se controlan con microondas y son ideales por su relativa escalabilidad y compatibilidad con tecnología convencional.

Iones atrapados

Usan campos electromagnéticos y láseres para manipular iones individuales. Destacan por su estabilidad y precisión en operaciones cuánticas.

Puntos cuánticos

Pequeños semiconductores que atrapan un solo electrón. Prometen buena escalabilidad y compatibilidad con los procesos de fabricación de chips actuales.

Fotones

Utilizan el espín direccional de la luz para representar qubits. Son clave en la comunicación cuántica por su capacidad de transmitir información a largas distancias sin interferencia.

Átomos neutros

Usan láseres para excitar átomos a estados cuánticos controlables. Ofrecen flexibilidad en la disposición tridimensional y buenas perspectivas de escalabilidad.

Retos del qubit

Pese a su potencial, los qubits presentan importantes desafíos:

• Decoherencia: los qubits pierden su estado cuántico con facilidad por interferencias externas.
• Refrigeración extrema: muchos qubits necesitan temperaturas más frías que el espacio exterior.
• Corrección de errores cuánticos: se están desarrollando algoritmos y sistemas para corregir errores derivados de la fragilidad cuántica.

Conclusiones sobre los qubits

Un qubit no es solo una curiosidad científica: es el corazón de una tecnología que podría cambiar radicalmente la forma en la que resolvemos problemas. Su capacidad de estar en varios estados a la vez y de entrelazarse con otros qubits lo convierte en una herramienta sin precedentes.

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