Cuando se habla de computación cuántica en medios o charlas, tarde o temprano surge una palabra que parece sacada de una novela de ciencia ficción: cúbit. No falta quien asienta con la cabeza como si entendiera, aunque por dentro esté pensando lo mismo que muchos: “¿Eso qué es exactamente?”. A pesar de su nombre curioso, los cúbits son la base real y técnica de los ordenadores cuánticos, y entenderlos no es solo posible, sino también revelador.
Este texto ofrece una explicación clara y detallada sobre el cúbit, tal como se presenta en fuentes especializadas, pero adaptada para que cualquier persona interesada, sin necesidad de formación en física, pueda comprenderlo. Todo está contado paso a paso, sin tecnicismos innecesarios, y manteniendo el rigor en los conceptos esenciales que definen la computación cuántica.
Qué es un cúbit y por qué es especial
Un cúbit —abreviatura de bit cuántico— es un sistema cuántico con dos estados propios bien definidos, que puede ser manipulado físicamente. Lo importante es que, a diferencia del bit clásico, el cúbit no está limitado a representar un 0 o un 1 de manera fija, sino que puede encontrarse en una superposición de ambos estados. En palabras sencillas: un bit puede ser 0 o 1, mientras que un cúbit puede estar en una combinación de 0 y 1 al mismo tiempo.
Cúbit es la abreviatura de "bit cuántico".
La teoría que permite describir un cúbit es la mecánica cuántica. Su comportamiento no puede entenderse dentro de las reglas de la física clásica. En matemáticas, un cúbit se representa como un vector unitario en un espacio vectorial complejo bidimensional. Los estados básicos del cúbit se denominan |0⟩ y |1⟩ (ket cero y ket uno), equivalentes al 0 y 1 clásicos. La posibilidad de estar en una superposición es lo que hace al cúbit radicalmente distinto y poderoso.
El nacimiento del término cúbit
El nombre cúbit fue propuesto por Benjamin Schumacher, quien describió una forma de codificar información cuántica utilizando el menor número posible de estados, en lo que ahora se conoce como compresión de Schumacher. Según él mismo explicó, el término nació como una broma durante una conversación con William Wootters, por su semejanza fonética con “cubit” (codo, en inglés).
Más tarde surgieron términos relacionados como ebit (unidad de entrelazamiento cuántico) o qutrit (análogos del cúbit con tres estados posibles). La necesidad de nuevos términos muestra cómo el lenguaje también evoluciona cuando se topa con fenómenos tan distintos como los de la mecánica cuántica.
Bits y cúbits: diferencias esenciales
Una diferencia clave entre bit y cúbit es su naturaleza: el bit clásico solo puede estar en un estado a la vez, mientras que el cúbit puede estar en ambos simultáneamente gracias a la superposición. Pero esto no se queda ahí. Otra diferencia es el paralelismo cuántico, que permite que los cúbits procesen múltiples combinaciones de información a la vez. Por ejemplo, dos cúbits pueden representar simultáneamente los estados 00, 01, 10 y 11.
Además, los cúbits pueden estar entrelazados. El entrelazamiento cuántico es un fenómeno por el cual el estado de un cúbit depende del estado de otro, sin importar la distancia que los separe. Si un par de cúbits entrelazados es medido, el resultado de uno afecta directamente al otro, incluso si están separados por kilómetros. Este fenómeno tiene implicaciones profundas, como en la teleportación cuántica y la seguridad en comunicaciones.
Matemáticas del cúbit: estados, medidas y la esfera de Bloch
El estado de un cúbit puede escribirse como una combinación lineal de |0⟩ y |1⟩:
|ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩,
donde α y β son números complejos. Los módulos al cuadrado de estos coeficientes dan las probabilidades de que, al medir el cúbit, se obtenga un resultado u otro. Estas probabilidades deben sumar uno, lo que se expresa como |α|² + |β|² = 1.
Cuando se mide un cúbit, su estado colapsa: deja de estar en superposición y pasa a uno de los dos estados base. También se puede describir mediante una matriz de densidad, útil cuando no se conoce completamente el estado del cúbit, lo que se llama un “estado mezcla”.
Para visualizar los estados posibles del cúbit, se utiliza la esfera de Bloch. Esta esfera representa todos los estados puros posibles del cúbit como puntos en su superficie. El interior de la esfera se usa para representar los estados mezcla. Cada punto sobre la esfera da información completa sobre el estado cuántico, lo que facilita la interpretación geométrica del cúbit.
Varios cúbits y el poder del entrelazamiento
Cuando se tienen varios cúbits, el sistema completo se representa en un espacio de Hilbert de dimensión 2N. No todos los estados posibles pueden describirse como combinaciones simples de cúbits individuales. Algunos estados, como los de Bell, son entrelazados y requieren una descripción conjunta.
Esto significa que la información de un cúbit entrelazado no puede entenderse por separado del sistema completo. Para describir el estado de un cúbit individual dentro de un sistema entrelazado, se usa la matriz densidad, que muestra que parte de la información está “distribuida” en el conjunto.
Codificación y corrección de errores
Un aspecto fundamental de la computación cuántica es la corrección de errores. A diferencia de los bits clásicos, medir un cúbit para verificar si hay error puede alterar su estado, lo que complica la tarea. Para resolver esto, se emplean técnicas como el código de Shor, donde un cúbit lógico se codifica en varios cúbits físicos. Por ejemplo, un solo cúbit se puede distribuir en 9 cúbits físicos, permitiendo detectar y corregir errores sin medir directamente el cúbit lógico.
Este tipo de codificación aprovecha la redundancia cuántica y el entrelazamiento entre cúbits para conservar la información. Aunque es una solución ingeniosa, requiere recursos y control técnico de alta precisión.
Implementaciones físicas del cúbit
Los cúbits pueden construirse a partir de muchos sistemas físicos distintos. Cualquier sistema cuántico de dos niveles puede servir como cúbit, desde átomos y iones atrapados con láser hasta defectos en diamantes. Entre las implementaciones más destacadas están:
- Trampas de iones, donde se usan átomos cargados que se manipulan con láser.
- Espines nucleares observados por resonancia magnética.
- Puntos cuánticos, que son nanoestructuras que confinan electrones.
- Uniones de Josephson, que utilizan propiedades de la superconductividad.
- Centros NV en diamantes, con espines electrónicos muy estables.
Cada opción tiene ventajas y dificultades técnicas. Algunas ofrecen buena fidelidad en la manipulación, pero son difíciles de escalar. Otras pueden integrarse con tecnologías actuales, pero sufren problemas de coherencia.
Cúbits en red y desafíos técnicos
En redes cuánticas, los cúbits pueden definirse usando codificación en doble canal, o mediante confinamiento de partículas en pozos de potencial. Aunque estos esquemas son prometedores, presentan dificultades prácticas como la coherencia del sistema o la presencia de estados físicos no deseados, que no pertenecen al espacio lógico del cúbit.
Estos desafíos técnicos son parte del camino hacia sistemas cuánticos más estables y escalables. Superarlos requiere mejorar tanto los dispositivos físicos como los algoritmos de control y corrección.
Una revolución aún en construcción
El desarrollo de la computación cuántica está todavía en una fase temprana, pero ya ha dado pasos relevantes. En 2019, IBM presentó el primer ordenador cuántico comercial, el IBM Q System One. Aunque estos sistemas aún están lejos de superar a los ordenadores clásicos en tareas generales, el simple hecho de construir cúbits estables y conectarlos en sistemas funcionales ya es un logro científico extraordinario.
A medida que se refinen las tecnologías de cúbits y se desarrollen nuevas arquitecturas, se abrirán nuevas posibilidades para la computación, la criptografía y la simulación de sistemas complejos. Y todo empieza entendiendo lo que es un cúbit: no un concepto misterioso, sino una pieza concreta y poderosa de la física cuántica moderna.
