DE SUPERPOSICIÓN EN SUPERPOSICIÓN por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico de número

La Computación Cuántica emplea los principios de la Mecánica Cuántica para procesar la información (en realidad, los datos). Las hipótesis de partida no tienen mucho que ver con las que fundamentan la Mecánica Clásica. Los procesadores cuánticos no tienen mucho que ver con los clásicos, aunque funcionalmente los recuerden, pero lejanos en los principios y en la forma de operar. Los chips basados en el silicio, que posibilitaron la computación convencional, tienen sus alternativas cuánticas en átomos, electrones, fotones o iones. Junto a ello, emergen las cuestiones de fondo, que son: probabilidad, superposición, medida, entrelazamiento. Los algoritmos para resolver los problemas en computación cuántica no tienen mucho que ver con los convencionales. Es una gran servidumbre, por cuanto hay que desarrollarlos de nuevo: mismos problemas con distintas formas de resolverlos.

La superposición es una propiedad genuinamente cuántica. Es contraintuitiva. No es fácil comprenderla, desde nuestras posiciones, culturalmente clásicas. Supongamos que estamos en un recinto haciendo ejercicio físico. Caminamos hacia la izquierda y después giramos y lo hacemos hacia la derecha. De nuevo, supongamos que cambiamos de patrón y giramos a la izquierda y giramos al mismo tiempo hacia la derecha. No podremos hacerlo, salvo que nos dividamos en dos. No podemos estar, al mismo tiempo caminando en ambos sentidos. Nuestro cuerpo macroscópico no parece encontrar solución para esta ubicuidad. Lo ha pretendido desde hace mucho, pero se resiste. Pero si fuéramos partículas cuánticas tendríamos una cierta probabilidad de hacerlo. La propiedad implicada es la denominada coherencia y la forma es la denominada superposición de estados. Los electrones, como es sabido, están dotados de espín, que los asimilamos con giro a izquierda o a derecha sobre ellos mismos, arriba o abajo, en notación simbólica y con 1 o 0 como bits para computación que, estrictamente hablando no es el dispositivo físico el que denominamos bit, sino a la información que soporta algo que puede tener dos estados, como es el caso del espín electrónico. Cuando una partícula es cuántica, se encuentra en una superposición de estados, expresada matemáticamente como combinación lineal de un número infinito de estados que incluyen al 1 y al 0 pero, a diferencia del tratamiento clásico, ahora no sabemos en cuál de ellos está en un momento dado, si lo observamos, es decir, si pretendemos medirlo. Pero eso tiene consecuencias.

La medida, a diferencia del proceso propio de la mecánica clásica, en que la medida es una forma de controlar el sistema, conocer sus propiedades, cuánticamente, la interacción con el sistema, imprescindible para llevar a cabo la medida, no es un proceso, ni gratuito ni neutro. En nuestro ejemplo, si queremos registrar nuestro itinerario con giros a derecha e izquierda, obtendremos como mucho, una foto borrosa, girando hacia la derecha y hacia la izquierda. Pero si fuéramos una partícula cuántica, no habrá duda de dónde estamos cuanto registramos la foto y nos mostrará bien que caminamos a la izquierda o a la derecha, nada más. Ocurre esto que describimos, porque el acto de observar, de medir una partícula cuántica, dado el estado de superposición que lo describe, como consecuencia del proceso de medida, colapsa, o lo que es sinónimo, se convierte en decoherente y la partícula adopta la descripción de los estados clásica, pasando a estar en el estado 0 o el 1. Ese es el resultado de la observación. Claro, que esto introduce algo con lo que no contábamos en la Mecánica Clásica que es que el sistema, al observarlo lo alteramos, ya no es el mismo. Nosotros intervenimos en el sistema al medirlo y eso tiene consecuencias. El precio a pagar por la medida es la decoherencia. Pasa de estar descrito por un estado expresado mediante una combinación lineal de todos los posibles con unos coeficientes cuyo módulo al cuadrado responde a la probabilidad de estar descrito por cada uno de los estados que componen la combinación lineal, a estar descrito solamente por uno de ellos que hará visible al más probable, lo que no quiere decir que los demás no los obtengamos nunca, pero sí que con una frecuencia que coincide con la probabilidad que se le asigna. Una vez que una partícula cuántica se ha sometido a una medida, ya queda por siempre en el estado que lo describe, en nuestro caso 0 o 1, y siempre permanecerá ahí, salvo que se le active, nuevamente, para situarla en otra superposición. En el fondo, un estado estacionario, es decir, con tiempo de vida infinito, es una combinación lineal en la que un solo coeficiente tiene valor unidad y el resto cero.