Computación cuántica

Autor: Isabel Cristina López Sardiñas / c_info@myb.jovenclub.cu

Resumen: Computación Cuántica, su estudio resulta interesante por lo abstracto del tema pero con futuras y sustanciales utilidades en la práctica, por ello, conocer cuáles son los descubrimientos que han permitido su desarrollo, cuál es su estado actual y futuro forman parte de las propuestas del siguiente artículo.

Palabras claves: Teoría cuántica, Computación, Bit, Qubits

Abstract: Quantum Computing, their study is interesting By the abstract of the subject but with future and substantial profits in practice, therefore, know what the discoveries that have enabled its development are, What is their current and future state, are part of the proposals of the following article.

Keywords: Quantum theory, Computer, Bit, Qubits

Introducción

Computación cuántica

Núcleo de una computadora cuántica

Resulta difícil comprender el término Computación Cuántica por lo abstracto del mismo. Por lo que se definen algunos términos que resultarán útiles como:

Bit: Acrónimo de Binary digit que significa dígito binario en español. Se corresponde con un dígito del sistema de numeración binario y representa la unidad mínima de medida de almacenamiento de información.

Qubit: La definición del concepto es abstracto, significa quantum bit en inglés, o sea bit cuántico en español. Un sistema cuántico con dos estados propios y que puede ser manipulado arbitrariamente. La información que contiene el qubit puede estar en dos estados posibles. Es la unidad mínima y constitutiva de la teoría de la información cuántica.

Las computadoras han mantenido un desarrollo constante con el paso de las técnicas analógicas a las digitales. Hoy se pudiera considerar que los 0 y los 1 contenidos en cada bit llegaron para quedarse en este mundo de la Informática, pero no es así, a continuación se verá por qué.

Según la Mecánica Cuántica las partículas atómicas pueden estar en varios estados a la vez; existe una paradoja muy famosa del físico austriaco y Premio Nobel de Física Erwin Schrödinger, conocido sobre todo por sus estudios de la mecánica ondulatoria y sus aplicaciones a la estructura atómica. La teoría plantea que un gato cuántico encerrado en una habitación hermética junto a una trampa mortal, está vivo y muerto al mismo tiempo hasta que se abre la puerta del recinto. El acto de abrir la habitación –la observación o medida– es lo que hace que el gato asuma uno de los dos estados posibles: vivo o muerto.

Desarrollo

Comparando con la teoría del Gato, entonces con un bit solo se podría decir si el gato está vivo (0) o muerto (1), en cambio con un qubit se puede albergar el dato de que el gato está mitad vivo, mitad muerto o tres cuartos vivo, un cuarto muerto, logrando que las posibilidades sean infinitas porque los qubits no expresan magnitudes discretas, como los bits, sino continuas. Dos cosas deben ser imaginadas, el entrelazamiento y la superposición de estados. 

qubitPor lo que un qubit(quantum bit) o lo que es lo mismo un bit cuántico,  representa ambos estados simultáneamente, un “0” y un “1” lógico, dos estados ortogonales de una subpartícula atómica.

Dos qubits representan, simultáneamente, los estados 00, 01, 10 y 11 y tres qubits, representan simultáneamente los estados 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, y 111; y así sucesivamente. Es decir un vector de n qubits, representa a la vez 2n estados.

En otras palabras, se pudiera entender que ante un laberinto con una teoría cuántica pudiéramos explorar varios caminos al mismo tiempo. Desde la décadas de los 70 muchos científicos hablaron por primera vez de las computadoras cuánticas, muchos dudaban de su sentido práctico.

En 1994 se da un paso adelante cuando Peter Shor, de AT and T, empresa conocida por sus siglas en Ingles American Telephone and Telegraph que en español sería compañía estadounidense de telecomunicaciones. Dicha empresa propone un algoritmo cuántico para factorizar números grandes y exponencialmente de forma más rápida que las computadoras convencionales.

Actualmente se han alcanzado progresos significativos en este campo:

  • Chuang, es un científico importante en este tema. Estuvo frente al grupo que creó la primera computadora cuántica de 1 qubit. Eso fue por el año 1998 en la Universidad de California en Berkeley.
  • En 1999 se concibe el algoritmo de Grover , nueva forma de realizar una búsqueda normal de un dato, sin este algoritmo los datos tendrían que ser ordenados previamente para realizar una inspección lineal, en cambio con el algoritmo de Grover no sería necesario.
  • El algoritmo de Shor que es el apropiado para descomponer en factores un número en tiempo y espacio, es ejecutado por primera vez en un computador de 7-Qbit en la Universidad de Stanford en el 2001 por IBM, empresa conocida por sus siglas en inglés: International Business Machines. El Gigante Azul, transnacional que fabrica y comercializa herramientas, programas y servicios relacionados con la informática.
  • En el 2005 utilizando trampas de iones se logra aumentar a 8 Qbits en la universidad de Innsbruck (Austria)
  • Para el 2006 se realizan mejoras en el control del cuanto desarrollando un sistema de 12 Qbits.
  • En 2007 la empresa D-Wave Systems de Canadapropone Orion de 16-qubits, una máquina de propósito general  usa algo de mecánica cuántica.
  • En ese mismo año equipos de trabajo de dos grandes instituciones, el National Institute of Standards (NIST) de Boulder y la Universidad de Yale en New Haven consiguieron crear el bus cuántico que puede ser utilizado como memoria cuántica que soporta la información cuántica por un corto espacio de tiempo antes de ser transferido al siguiente dispositivo. No fue hasta 2009 que surge un procesador cuántico que usa fotones que se desplazan sobre el bus cuántico, circuito electrónico que almacena y mide fotones de microondas, aumentando el tamaño de un átomo artificialmente.
  • En el 2010 la Universidad de Bristol, en Reino Unido, ha descubierto como reducir los componentes fundamentales para poderlos integrar en un microchip de silicio. De esta forma se puede desarrollar un sistema cuántico minúsculo capaz de generar sus propios fotones.
  • Recientemente Google digitaliza de forma universal la Computación Cuántica Analógica con circuitos superconductores.
  • En la Universidad de Melbourne en Australia se ha inventado un método para hacer un seguimiento de átomos individuales de fósforo en un cristal de silicio, las imágenes se obtienen a una resolución atómica mediante un microscopio de Efecto Túnel (STM).
  • Un ordenador cuántico logra simular cómo se forma la antimateria del universo.
  • Recientemente fue anunciado un nuevo enfoque basado en los diamantes sintéticos por parte de los investigadores del MIT, por sus siglas en inglés: Massachusetts Institute of Technology, que en español sería Instituto de Tecnología Massachusetts. Institución de educación superior privada situada en Cambridge, Massachusetts, Estados Unidos.

IBM ha promulgado cinco criterios para construir una computadora cuántica:

  1. Sistema físico de escala flexible con qubits bien caracterizados.
  2. Capacidad de inicializar el estado de un qubit.
  3. Tiempos de descoherencia más largos que el tiempo de operación de la puerta cuántica.
  4. Conjunto universal de puertas cuánticas.
  5. Capacidad de medir qubits específicos.

Estas computadoras poseen una enorme capacidad computacional de procesamiento paralelo. Este fenómeno de la mecánica cuántica es llamado “entanglement”; mediante él, dos partículas subatómicas permanecen relacionadas entre sí si han sido generadas en un mismo proceso. Por ejemplo la desintegración en un positrón y un electrón. Es válido aclarar que un positrón no es más que un electrón con carga positiva y que la interacción de ambos puede resultar la aniquilación para ambos, produciéndose un par de fotones cuya energía equivale a la masa del par electrón-positrón. Esta propiedad define al positrón como la antipartícula asociada al electrón partículas que forman un subsistema que no pueden describirse separadamente ya que si una cambia de estado, repercute en la otra. Esta característica se desencadena cuando se realiza una medición sobre una de las partículas.

La tele transportación cuántica es descrita por Stean como la posibilidad de “transmitir qubits sin enviar qubits”. En la Computación tradicional para transmitir bits, estos son clonados o copiados y luego enviados a través de diferentes medios como el cobre, fibra óptica, ondas de radio y otros. En la Computación Cuántica no es posible clonar, copiar, o enviar qubits de un lugar a otro como se hacen con los bits. La tele transportación cuántica se basa en el “entanglement” para poder transmitir un qubit sin necesidad de enviarlo. El emisor y el receptor poseen un par de qubits “enredados” (entangled). Entonces el qubit es transmitido desde el emisor, desaparece del emisor y el receptor tiene el qubit tele transportado.

En términos de Arquitectura en una computadora cuántica, los ordenadores cuánticos utilizarían métodos de encriptación que ningún sistema pudiera romper, por lo que se protegerían las comunicaciones en Internet. Por el momento los ordenadores cuánticos están en fase experimental. 

En la esfera médica el efecto cuántico se pone de manifiesto en la resonancia magnética nuclear, donde las moléculas magnéticas se trabajan cuánticamente con los pequeños imanes que hay en los núcleos de los átomos de hidrógeno.También es un efecto cuántico el láser aplicado a la cirugía.

Pero la Computación Cuántica puede que constituya una revolución dentro de la Computación, pero no será fácil, algunos problemas se presentan para su aplicación:

  • Uno de ellos es el problema de la decoherencia cuántica, por la cual hay pérdida del carácter unitario y de la reversibilidad de los pasos del algoritmo cuántico.
  • Otro de los problemas principales es la escalabilidad, teniendo en cuenta el considerable incremento en qubits necesarios para cualquier cálculo que implica la corrección de errores.

Por lo que se necesita que las partículas interactúen entre ellas sin interferencias del entorno ya que la interacción no controlada destruye las propiedades, se rompe la coherencia y se abandona la superposición de estados. Resulta imposible obtener resultados que vayan más allá de lo que se conseguiría operando con bits.

Pero hay ejemplos que demuestran haber superado estos problemas, China lanzó el primer satélite mundial de Comunicación Cuántica, con ello se busca construir un sistema inviolable de comunicaciones codificadas. Bautizado Mozi en honor a un filósofo chino de la antigüedad. Este hecho servirá para demostrar el interés de la tecnología cuántica en las comunicaciones de larga distancia.

Por otra parte, el mundo de la NASA, en colaboración con Google, adquirió el ordenador cuántico más grande del mundo para el Laboratorio Cuántico de Inteligencia Artificial, ubicado en el Centro de Investigación Ames de la NASA, y pretende usarlo para la gestión de grandes repositorios de datos, el desarrollo de esquemas de cifrado que no se puedan ‘hackear’, la coordinación de vehículos robóticos en el espacio y el control del tráfico aéreo o la predicción del tiempo.

Conclusiones

Después de estudiar los textos seleccionados, se puede afirmar que comprender el tema es bien complicado aunque se trató de explicarlo de la forma más sencilla posible. Se espera que el artículo resulte interesante y despierte la curiosidad del lector. Se reconoce que esta tecnología está todavía en pañales, pero a pesar de esto, se puede afirmar que en teoría, los sistemas cuánticos tienen el potencial para cambiar irrevocablemente la evolución de la Computación.

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