COMPUTACIÓN CUÁNTICA

Introducción

La computación cuántica surge de la convergencia de dos las teorías tan importantes como la cuántica y la computación. Consiste, básicamente, en reemplazar a los bits por los qubits. Lo cual trae ventaja puesto que un bit solo puede tomar dos valores y un qubit toma dos valores y además los toma a la vez. Por ello, existen mayores facilidades al momento de realizar operaciones al mismo tiempo. Con respecto al espacio de estado, cuando utilizamos los qubits estos espacios crecen exponencialmente, pero cuando utilizamos los bits, crece, de forma lineal.

Origen

Con la necesidad de llevar la computación tradicional a un territorio atómico, nace la Computación Cuántica. Este hecho significa que la materia deja de obedecer a la física clásica, para ser dominada por un conjunto de leyes que describen el comportamiento de las partículas atómicas y subatómicas, la Mecánica Cuántica. La cual se encarga de describir aquellos fenómenos que, al parecer, intentan desafiar al sentido común. Dejando que el funcionamiento de la computación tradicional y el de la electrónica dejen de tener sentido.

Los estudios de la Computación Cuántica radicaron, por un lado, en 1981, por parte de Paul Benioff, surge la computadora cuántica de Benioff que es una idea que expone que la cinta de la máquina de Turing podría ser reemplazada por una serie de sistemas cuánticos. Es decir, que en lugar de trabajar con voltajes eléctricos sea a nivel de cuánto. Las ideas esenciales, que surgen después, de la computación cuántica surgieron de la mente de Paul.

Concepto

Esta computación se basa en las interacciones a nivel atómico y tiene como elemento el bit cuántico. Un bit sólo puede tomar dos valores: 0 o 1 en la computación tradicional, en cambio, en la computación cuántica, intervienen las leyes de la mecánica cuántica, y la partícula puede estar en superposición coherente: puede ser 0, 1 y puede ser un 0 y un 1 a la vez. Eso permite que se puedan realizar varias operaciones al mismo tiempo, según el número de qubits (quantum bit).

El bit cuántico (quantum bit)

Un qubit (en inglés quantum bit) es un espacio de estado cuántico complejo bidimensional. Es la mínima unidad de la información cuántica. Tiene dos estados básico, estos se llaman, 0> y 1> (se pronuncian ket cero y ket uno). Cuando hablamos del estado puro propiamente del qubit, hacemos referencia a la superposición cuántica de los dos estados. Esto es significativamente distinto al estado de un bit clásico, que puede asumir solamente un valor 0 ó 1.

Ventajas del uso de la computación cuántica

Esta es la ventaja que tiene la computación cuántica respecto a la clásica Si bien hay problemas que son irresolubles por naturaleza. A pesar de ello, a computación cuántica brinda ventajas enormes, como cuando nos referimos a la mecánica cuántica, puesto que el espacio de estado aumenta exponencialmente con el número de qubits. El bit, lo hace linealmente.

Las ventajas que aporta la computación cuántica son la aplicación masiva de operaciones en paralelo y la capacidad de aportar nuevas soluciones a problemas que no son abarcables por la computación cuántica debido a su elevado coste computacional. Sin embargo, y a pesar de las ventajas expuestas anteriormente, un ordenador cuántico solo será eficiente para un rango de tareas determinado. Esto implica que habrá ciertas funciones en las que no será una ventaja utilizar la tecnología cuántica frente a la computación clásica actual.

Computadora cuántica

Una definición acerca de las computadoras cuánticas, ampliamente aceptada por los investigadores, la concibe como un sistema de circuitos cuánticos, actuando en un espacio de estados. El circuito es una secuencia de transformaciones unitarias seguido por una medición. Esas transformaciones, son llamadas compuertas cuánticas, y son controladas por una computadora clásica. Así esto permite la superposición simultánea de estados básicos (correspondientes a estados clásicos "0" y "1"). 

Hardware cuántico

Requerimientos de implementación:Aún no se ha resuelto el problema de qué hardware sería el ideal para la computación cuántica. Se ha definido una serie de condiciones que debe cumplir, conocida como la lista de Di Vinzenzo, y actualmente hay varios candidatos a qubits.

Requisitos a cumplir

El sistema ha de poder inicializarse, esto es, llevarse a un estado de partida conocido y controlado.

Ha de ser posible hacer manipulaciones a los qubits de forma controlada, con un conjunto de operaciones que forme un conjunto universal de puertas lógicas (para poder reproducir a cualquier otra puerta lógica posible).

El sistema ha de mantener su coherencia cuántica a lo largo del experimento.

Ha de poder leerse el estado final del sistema, tras el cálculo.

El sistema ha de ser escalable: tiene que haber una forma definida de aumentar el número de qubits, para tratar con problemas de mayor coste computacional.

 Candidatos a qubits

Espines nucleares de moléculas en disolución, en un aparato de RMN.

Flujo eléctrico en SQUIDs.

Iones suspendidos en vacío.

Puntos cuánticos en superficies sólidas.

Imanes moleculares en micro-SQUIDs.

Software cuántico

 Dado que el tratamiento de la información cuántica es notablemente distinto del de la clásica, se necesitaran algunas herramientas para construir los programas cuánticos.

Aplicaciones

Factorización de enteros grandes

Otro gran uso, es utilizarlo para la descomposición de número grandes en factores primos. Esta manera de solucionarlo es bastante particular, resulta de gran interés, y la computación cuántica tiene una solución conocida en su campo. Un número primo es aquel que se puede dividir entre el mismo número y la unidad, al parecer el hecho de encontrar números primos parece sencillo, sin embargo, no lo es, cuando estos son enormes.

No existen algoritmos, sumamente, sencillos que nos generen números primos, tampoco para comprobar si es que un número ingresado es primo, ni factorizar descomponiendo a un número. Las computadoras clásicas lo resuelven mediante el método e ensayo y error. Y la dificultad de resolverlos se acrecienta cuando el valor de estos número es mayor.

Es por ello, que debe ser fácil el imaginar el entusiasmo de los miembros de la comunidad científica cuando, en 1986, Peter W. Shor demostró que se podría descomponer un número primo de forma eficiente utilizando la computadora cuántica.

 Teleportación cuántica

Así también, la Computación Cuántica está involucrada en la Teleportación Cuántica. En 1993, Bennet desarrolló el método para teleportar un estado cuántico desconocido. Para esto se valieron de un par de Bell, también llamado estado EPR debido a la paradoja planteada por Einstein, Podolsky y Rosen, la cual básicamente postula que si tengo un Parentangled, por más lejano que este un qubit del otro, al efectuar una medición sobre uno de ellos, el otro qubit también colapsará. La teleportación utiliza la computación cuántica, y nos permite recuperar la información guardada en un qubit de estado desconocido en cualquier lugar alejado del qubit original, transportando toda la información que contenía dicho qubit hasta otro qubit.

Codificación superdensa

La computación cuántica está relacionada con la Codificación superdensa. Consiste en aprovechar el entrelazamiento como fuente de información. Si es que vemos a primera vista, lo normal sería que utilizara los qubits como si se tratara de bits habituales o comunes, enviando la información a los receptores por medio de las múltiples combinaciones de ellos.

Inteligencia artificial

Según Neven, científico que trabaja en computación cuántica, la visión artificial, la robótica y neurociencia computacional, la posible clave para resolver los grandes retos que presenta el aprendizaje artificial es la computación cuántica. Es decir, hay mejorar los modelos en lo que se apoya la inteligencia de estas máquinas y, de esa forma, obtener mejores predicciones, además, mejores resultados.

Para Google, es probable que la computación cuántica marque un antes y un después en cuanto al reconocimiento de voz y disparar las posibilidades de su buscador pero, en general, este nuevo ejemplar puede aportar mucho en otros campos como la investigación médica o los sistemas de radar; una tecnología de la que sin duda hay mucho que hablar.             

Avances actuales de la computación cuántica

En el ejército

Los científicos estadounidenses proponen utilizar la tecnología cuántica junto con los fotones en radares para interceptar a los aviones. Según explica el investigador Mehul Malik, “para introducirse en nuestro sistema, el objeto tendrá que perturbar el delicado estado de los fotones lo que provocará errores y revelará esta actividad”. Si el enemigo intenta interceptar los fotones y devolverlos de manera que den una imagen alterada del objeto, el radar  cuántico descubrirá de inmediato que el fotón ha sido modificado.

Por parte de los especialistas, ya se han probado el sistema rebotando fotones contra un objeto en forma de  avión y  midiendo el error de la polarización de la señal de retorno. Una de las mejores ventajas que se alcanza rescatar de este método, según los investigadores, es que es fácil empezar a aplicarlo porque ya se usa tecnología similar en muchos laboratorios por todo el mundo.

Computador cuántico dentro de un diamante

El campo experimental de la computación cuántica se ha convertido en un terreno fértil para la tecnología abstracta pero fascinante, y un reciente documento de Natureno es la excepción. Como parte de la investigación sobre la reducción de la decoherencia, o interferencia externa que afecta a los bits cuánticos o qubits, un grupo de científicos ha construido un ordenador cuántico alojado dentro de un diamante. En concreto, un par de qubits fueron alojados en las imperfecciones del diamante.

Como la mayoría de los ordenadores cuánticos, este último proyecto es más una prueba de concepto que otra cosa.  A pesar de que son una gran promesa para la informática, los ordenadores también son difíciles de escalar, y deben ser capaces de lidiar con qubits que duran sólo una fracción de segundo. Esta investigación sobre la decoherencia podría ayudar a hacer posible que un gran número de qubits trabajen juntos sin ser afectados por el calor u otros factores.

Crean chip de silicio que genera sus propios fotones

Los investigadores construyeron un chip capaz de exponerse al ataque directo de un rayo láser. A continuación, la luz cuántica producida se combina usando un divisor de haz integrado también en el dispositivo. Por ello, el equipo sugiere que su invención -básicamente, un sistema cuántico integrado en un chip-, hace innecesarios los fotones externos, creando el camino hacia un ordenador cuántico completo. 

“Nos sorprendió lo bien que las fuentes integradas actuaron juntas”, admite Joshua Silverstone, autor principal del artículo. Según explica el investigador, estos componentes producen fotones idénticos de alta calidad de una manera reproducible, lo que confirma que se podría fabricar un chip de silicio con cientos de fuentes similares dentro trabajando juntas. “Esto podría conducir a una computadora cuántica óptica capaz de realizar cálculos enormemente complejos”, subraya Silverstone. 

Conclusiones

Los ordenadores cuánticos se basan en el uso de los qubits (bits cuánticos) en lugar de bits, y da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos. Poseen una capacidad de cálculo muy superior a los computadores actuales gracias al paralelismo masivo (exponencial) debido a la superposición de estados en los qubit.

En el campo de la criptografía proponen un nuevo enfoque: control absoluto de seguridad a nivel de comunicación y su capacidad para realizar operaciones de factorización (descomposición en números primos), que representa una amenaza para las comunicaciones encriptadas que emplean muchas instituciones en sus sistemas de seguridad, y que se basan a su vez en la dificultad de hacer códigos. Y decir que la computación cuántica es un campo en el que aún queda mucho por descubrir.

Bibliografía

Rubo, Yuri y Tagüeña, Julia. 2014. Computación Cuántica.Extraído de: http://www.comoves.unam.mx/numeros/articulo/67/computacion-cuantica

Pérez, Patricia. 2014. Avance en computación cuántica: Crean un chip de silicio que genera sus propios fotones.Extraído de: http://www.tendencias21.net/Avance-en-computacion-cuantica-Crean-un-chip-de-silicio-que-genera-sus-propios-fotones_a30445.html

Polli, José. 2012. Computación Cuántica.

Extraído de: http://www.monografias.com/trabajos60/computacion-cuantica/computacion-cuantica2.shtml

Jara Goldemberg, Hugo. 2009. Computación Cuántica: ¿un nuevo paradigma?

Extraído de: http://tauzero.org/2009/06/computacion-cuantica-un-nuevo-paradigma/#more-3342 

Fundación Wikipedia. 2008. Computadora Cuántica de Benioff.

Extraído de: http://es.wikipedia.org/wiki/Computadora_cu%C3%A1ntica_de Benioff

Sánchez Ángel. 2014. ¿Qué es la computación Cuántica?

Extraído de: http://computadoras.about.com/od/tipos-de-pc/fl/iquestQueacute-es-la-computacioacuten-cuaacutentica.htm

Hecht, Juan. 2005. Fundamentos de Computación Cuántica para su Aplicación en Teoría de la Información Cuántica y Criptografía Cuántica versión 2.

Extraído de: http://www.criptored.upm.es/guiateoria/gt_m471a.htm

Nasser Darwish Miranda. 2014. Computación Cuántica. Extraído de: http://www.fceia.unr.edu.ar/~diazcaro/QC/Tutorials/Computacion%20Cuantica.pdf

Velasco. 2013. Google y NASA abrirán un laboratorio de computación cuántica

Extraído de: http://alt1040.com/2013/05/inteligencia-artificial-basada-en-computacion-cuantica

Luque, Muricio. 2009. La codificación fotónica superdensa puede ser aún más densa.

Extraído de: http://www.solociencia.com/fisica/08051204.htm

Avila Girón, Julissa. 2013. Nuevo avance en la Computación Cuántica.

Extraído de: http://computacioncuanticaunah.blogspot.com/p/avances.html

Borgna Christel. 2012. Construyen computadora cuántica al interior de un diamante.Extraído de: http://www.fayerwayer.com/2012/04/construyen-computadora-cuantica-al-interior-de-un-diamante/