Propuesto por primera vez en los años 80, el desarrollo de las computadoras cuánticas recorrió un largo camino desde la pura teoría hasta la aplicación práctica del hardware. En la actualidad, IBM® Quantum pone el hardware cuántico real, una herramienta que los científicos solo empezaron a imaginar hace tres décadas, a disposición de cientos de miles de desarrolladores.  

Cuando los físicos e ingenieros se enfrentan a problemas difíciles, recurren a las supercomputadoras. Sin embargo, incluso las supercomputadoras son máquinas basadas en código binario que dependen de la tecnología de transistores del siglo XX, y tienen dificultades para resolver problemas muy complejos. Estas computadoras tradicionales también están sujetas a restricciones materiales, como el sobrecalentamiento, lo que pone límites estrictos a su capacidad para procesar información. Hay algunos problemas complejos, como la creación de modelos de átomos individuales en una molécula, que no sabemos resolver con computadoras clásicas a ninguna escala.

Las leyes de la mecánica cuántica dictan el orden del mundo natural. En muchas situaciones, las computadoras que realizan cálculos con los estados cuánticos de bits cuánticos deberían ser nuestras mejores herramientas para comprenderlos y resolver nuestros problemas más complejos. 

Al estudiar las computadoras cuánticas, es importante comprender que la mecánica cuántica no es como la física tradicional. Describir los comportamientos de las partículas cuánticas presenta un desafío único, ya que la mayoría de los paradigmas del sentido común para el mundo natural simplemente carecen de un vocabulario para comprender los comportamientos aparentemente contradictorios de las partículas cuánticas. 

Un bit clásico solo puede existir en una posición 0 o en una posición 1. Sin embargo, los cúbits también pueden ocupar un tercer estado conocido como superposición. Una superposición representa 0, 1 y todas las posiciones intermedias tomadas a la vez, con un total de tres posiciones separadas.

Si bien los cúbits pueden codificar tres posiciones separadas, todavía se utilizan para transmitir información a través de un sistema binario. En tales sistemas, el término bit puede referirse al material o proceso utilizado para representar un 0 o 1, o la medición de ese bit (es decir, un 0 o un 1). 

En la computación tradicional o clásica, un solo bit puede considerarse como una pieza de información binaria, anotada como un 0 o un 1. Las computadoras modernas suelen representar los bits como un voltaje eléctrico o un pulso de corriente (o por el estado eléctrico de un circuito biestable).

Cuando no fluye corriente, en estos sistemas, se puede considerar que el circuito está apagado y este estado se representa como 0. Cuando fluye la corriente, el circuito se considera encendido y este estado se representa como un 1.

El término "bit" es en sí mismo un acrónimo de "dígito binario", y los bits binarios son la base fundamental de toda informática. Ya sea grabando un video digital, animando un modelo 3D o usando una aplicación de calculadora, todos los datos, desde los sistemas operativos hasta el software, se construyen a partir de código binario, que es una colección de bits. Un byte informático consta de ocho bits, que es el número mínimo de bits necesarios para transmitir un solo carácter textual en binario. 

Los bits pueden representarse eléctricamente, al pasar o no corriente, por ejemplo, a través de un chip de silicio. Los bits también pueden representarse físicamente, como un agujero o la ausencia de un agujero en una hoja de papel, como se utilizó en la anticuada computación de tarjetas perforadas. Cualquier sistema de dos niveles en el que el estado del sistema pueda describirse en solo una de dos posiciones posibles (por ejemplo, arriba o abajo, izquierda o derecha, activado o desactivado) puede utilizarse para representar un bit. 

Si bien las tecnologías cuánticas utilizan código binario, los datos cuánticos derivados de un sistema cuántico, como un cúbit, codifican los datos de manera diferente a los bits tradicionales, con algunas ventajas notables. Los investigadores han establecido una variedad de formas de crear cúbits o utilizar sistemas cuánticos naturales como cúbits. Sin embargo, en casi todos los casos, las computadoras cuánticas requieren una refrigeración extrema para aislar los cúbits y evitar interferencias. 

Teóricamente, cualquier sistema cuántico de dos niveles puede usarse para hacer un cúbit. Un sistema cuántico se describe como de dos niveles cuando ciertas propiedades del sistema pueden medirse en posiciones binarias, como arriba o abajo. Los sistemas cuánticos multinivel también pueden utilizarse para crear cúbits, siempre que dos aspectos de ese sistema puedan aislarse eficazmente para producir una medición binaria. Así como las computadoras tradicionales pueden usar múltiples tipos de bits, como corriente eléctrica, carga eléctrica o agujeros perforados (o no perforados) en una hoja de papel para computación con tarjeta perforada, las computadoras cuánticas pueden usar múltiples tipos de bits. Ciertos bits se adaptan mejor a ciertas funciones, y una computadora cuántica avanzada probablemente utilizará una combinación de tipos de bits para lograr diferentes operaciones.

Dado que cada bit puede representar un 0 o un 1, al emparejar dos bits de información, podemos crear hasta cuatro combinaciones binarias únicas:

1. 00
2. 01
3. 10
4. 11

Si bien cada bit puede ser un 0 o un 1, un solo cúbit puede ser un 0, un 1 o una superposición. Una superposición cuántica puede describirse como 0 y 1, o como todos los estados posibles entre 0 y 1, porque en realidad representa la probabilidad del estado del cúbit. 

A nivel cuántico, la probabilidad de los cúbits se mide como una función de onda. La amplitud de probabilidad de un cúbit puede utilizarse para codificar más de un bit de datos y realizar cálculos extremadamente complejos cuando se combina con otros cúbits.

Al procesar un problema complejo, como factorizar un número primo grande, los bits tradicionales quedan unidos al contener grandes cantidades de información. Los bits cuánticos se comportan de manera diferente. Debido a que los cúbits pueden contener una superposición, una computadora cuántica que utiliza cúbits puede calcular un volumen de datos mucho mayor. 

Una analogía que puede ser útil para entender la diferencia de bits y a cúbits es imaginar que se está en el centro de un laberinto complicado. Para salir del laberinto y resolver el problema, una computadora tradicional aplicaría un “ataque de fuerza bruta” al probar todas las combinaciones posibles de caminos para encontrar la salida. Este tipo de computadora usaría bits para explorar nuevos caminos y recordar cuáles son callejones sin salida.

En comparación, una computadora cuántica podría, en sentido figurado, derivar de una sola vez una vista aérea del laberinto, probando múltiples caminos simultáneamente y revelando la solución correcta. No obstante, los cúbits no “prueban múltiples rutas” a la vez. Más bien, las computadoras cuánticas miden las amplitudes de probabilidad de los cúbits para obtener un resultado. Como estas amplitudes funcionan como ondas, también se superponen e interfieren entre sí. Cuando las ondas asíncronas se superponen, se eliminan de manera eficaz las posibles soluciones a problemas complejos y las ondas coherentes realizadas presentan la solución. 

Cuando dos cúbits están entrelazados, ambos existen en una superposición hasta que se mide cualquiera de estos. Una vez que se han observado, la superposición cuántica de ambos se colapsa y el cúbit que no se observa asume la posición opuesta al que se observó.

Por ejemplo, si la mitad de un par de cúbits entrelazados se mide en una posición 1, el otro cúbit puede medirse instantáneamente como un 0. Las implicaciones del entrelazamiento cuántico son tan amplias como limitada es nuestra comprensión de este fenómeno. Basta con decir que los bits tradicionales no se entrelazan. De esta manera, los cúbits entrelazados aparentemente pueden transferir información incluso a años luz de forma instantánea, más rápido que la velocidad de la luz. Si bien los cúbits en realidad no transfieren datos más rápido que la luz, el entrelazamiento cuántico puede aumentar drásticamente la potencia de los circuitos cuánticos. 

Se dice que las partículas cuánticas tienen coherencia cuando están lo suficientemente controladas para funcionar como cúbits. Cuando un cúbit pierde esta capacidad, se describe como decoherente. La refrigeración de alta potencia necesaria para crear un estado de coherencia para los cúbits funcionales es un gran desafío para la computación cuántica. 

Incluso en las condiciones más frías, los sistemas cúbit también son generalmente susceptibles a fallas causadas por la decoherencia. Afortunadamente, los avances en el campo emergente de la corrección algorítmica de errores cuánticos tienen el potencial de estabilizar sistemas cuánticos que antes eran frágiles.