Para comprender el enorme cambio que supone pasar de la computación clásica a la computación cuántica hemos de entender primero el concepto de computación






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fecha de publicación18.06.2016
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La computación cuántica

¿Qué es?

Para comprender el enorme cambio que supone pasar de la computación clásica a la computación cuántica hemos de entender primero el concepto de computación clásica. Los ordenadores actuales usan bits (binary digit). Como su propio nombre indica, el bit es la unidad mínima de información empleada en la informática, pudiendo representar 1 o 0 (los únicos dos dígitos válidos en el código binario, que formando cadenas pueden dar lugar a la práctica infinidad de operaciones matemáticas). Podemos imaginar un bit como una bombilla que está o encendida o apagada. Pues bien, en la actualidad los transistores de placas de silicona, que se encienden o apagan para formar 1 o 0, son diminutos, deberíamos aumentarlos 6000 veces para poder apreciarlos, y cada vez son menores.

La clave de la potencia de un ordenador es inherente a la cantidad de bits que puede almacenar, pues de esto depende el número de operaciones simultáneas que puede realizar; esto implica que para crear un ordenador más potente sus transistores tienen que ser más pequeños, así el número de bits será mayor. Entonces, ¿cuál es el límite? La barrera no es tecnológica, si no teórica y física. Un robot microscópico puede crear transistores diminutos, pero jamás serán tan pequeños como un átomo. El bit no puede llegar a esos límites, pero si un qubit. El qubit se puede almacenar en un átomo de hidrógeno, lo que implica el mínimo tamaño que las leyes de la física actuales nos permiten imaginar.

¿Qué es un qubit? El qubit (quantum bit) es el equivalente al bit en física cuántica, la mínima unidad de información en un computador cuántico. Y, al tratarse de física cuántica, el qubit posee una característica que desafía la física tradicional y lo hace, aparte de minúsculo, inimaginablemente potente. Si recordamos, el bit podía asumir dos valores, 1 o 2. Pues bien, aunque parezca imposible, a nivel atómico las leyes del juego cambian: el qubit puede adoptar el valor 0 Y 1 A LA VEZ. La bombilla está encendida y apagada o el gato de Schrödinger vivo y muerto, simultáneamente. No solo eso, el qubit puede ser 0, 1, ambos, Y TODOS LOS NÚMEROS INTERMEDIOS (1/2;1/4;1/15…) Esta capacidad se llama superposición cuántica. A nivel atómico, un qubit, al tener electrón en la capa inferior del átomo tendría un 0, y al tener un electrón en nivel energético superior tendría un 1. Ahora bien, en el qubit el electrón se encuentra superpuesto, es decir, EN TODOS LADOS Y EN TODAS LAS CAPAS INTERMEDIAS A LA VEZ, dando lugar a 2500 (approx) estados diferentes y simultáneos del electrón, a diferencia de los 2 estados de un electrón clásico.

El equivalente en binario: con los bits convencionales, si teníamos un registro de tres bits, había ocho valores posibles y el registro sólo podía tomar uno de esos valores. En cambio, si tenemos un vector de tres qubits, la partícula puede tomar ocho valores distintos a la vez gracias a la superposición cuántica. Así, un vector de tres qubits permitiría un total de ocho operaciones paralelas. El número de operaciones aumenta exponencialmente. Para hacerse una idea del gran avance, un computador cuántico de 30 qubits equivaldría a un procesador convencional de 10 teraflops (millones de millones de operaciones por segundo). Los ordenadores actuales trabajan en el orden de gigaflops (miles de millones de operaciones por segundo).

Usos

Al tener un ordenador tan potente, y que, teóricamente, una vez implementado de forma eficiente, ocupe tan poco espacio, los límites del uso que le podemos dar son realmente ilimitados. Se puede emplear para descriptar o encriptar mensajes codificados que ni todos los ordenadores actuales del planeta juntos son capaces de descodificar, lo que supondría un gran avance para la tecnología de seguridad actual, aunque también un gran peligro, si cayese en manos equivocadas. Podemos localizar en cuestión de milésimas obras en bases de datos que los superordenadores actuales tardan horas en encontrar, o realizar cálculos en horas con un puñado de qubits, que millones de ordenadores actuales combinados tardarían miles de millones de años en calcular.

No obstante, el gran interés de la computación cuántica radica en la simulación de sistemas cuánticos. Al igual que no queremos que un piloto alce el vuelo sin tener conocimiento de cómo manejar un Boeing 747 y empleamos un simulador de vuelo para ello, nosotros no podemos descubrir cómo manejar enormes grupos de moléculas sin saber cómo se comportan. Así pues, un computador cuántico nos permitiría, al introducir unos parámetros, simular el conocimiento exacto de millones de moléculas, y aplicar esto, por ejemplo, a la levitación de trenes de mercancías o a crear naves espaciales, fuentes de energía renovable más eficientes… Tendríamos tanto poder que no podemos imaginar todavía lo que podríamos lograr con él, es impredecible conocer todos los usos de una nueva tecnología, por revolucionaria que sea.

Problemas

La física cuántica y sus variaciones se llevan estudiando años. Conocemos las reglas y el comportamiento de las partículas cuánticas a escala reducida. Sabemos cómo funcionaría un ordenador cuántico. El único problema es su inclusión en la práctica. El verdadero reto de la computación cuántica es el aislamiento del qubit. El qubit, al ser, según la lógica, incoherente por ser 1 y 0 a la vez, deja de funcionar en el momento en que entra en contacto con el mundo macroscópico. Básicamente, en el momento en el que observamos un qubit se rompe su superposición y sólo forma uno de sus muchos estados. En el momento en el que el qubit interacciona con el mundo exterior (vibraciones, polvo, aire, electricidad, campos de fuerza…) los átomos que contiene se deshacen y dan lugar a una mezcla incoherente. Para aislar un qubit se necesita mantenerlo suspendido de forma perfecta en una trampa iónica: entre campos magnéticos y haces de rayos láser. Esta tecnología, que aún no manejamos con eficiencia, hace que sea imposible saber cómo será un futuro ordenador cuántico, su forma o tamaño (teóricamente pequeño), sus materiales, etc.

El segundo problema principal de la computación cuántica es que la forma de programar dicho ordenador no sigue el Modelo de Turing, según el cual funcionan TODOS los ordenadores, móviles y similares en la actualidad, pues el ordenador cuántico se programa qubit a qubit, átomo a átomo de forma individual, como si cada qubit fuese un único ordenador, y luego juntándolo todo. En la actualidad esto es muy complejo y trabajoso, dificultando aún más las operaciones cuánticas. Hasta 2001, la máxima operación que se había logrado con este sistema, en un simulador cuántico, es 3x5=15, lo que supone un verdadero éxito.

¿Dónde nos encontramos? El ordenador cuántico en la actualidad.

Como hemos mencionado antes, lo único que existe en la actualidad parecido a un ordenador cuántico son los simuladores cuánticos, aparatos de gran tamaño (debido a los mecanismos que emplean para aislar los qubits), con materiales superconductores e imanes muy potentes. Todo material superconductor es crucial para mantener el estado cuántico de los qubits. Estos materiales poseen dan dos características, 1: no poseen resistencia eléctrica: no hay choque de electrones con átomos (así no se calienta el átomo y se dispersa el qubit por haber sido influenciado por el mundo externo) por lo que no hay pérdida de energía y 2: expulsan campos magnéticos desde su interior. Estas condiciones son críticas en física cuántica y sólo se dan a muy bajas temperaturas (-274 Cº). Por ello todos los modelos atómicos se mantienen a bajas temperaturas. Los potentes imanes sirven para guiar los electrones en las direcciones deseadas, y así poder programar el ordenador cuántico.

No obstante, pese a conocer estas 3 características (gran tamaño, superconductividad e imanes), seguimos sin conocer el aspecto concreto de futuro de un ordenador cuántico.

Lo que si existe ya y probablemente sustituya a la computación actual antes que la cuántica es la computación molecular, que ya ha dado a luz a transistores moleculares de grafeno y que sería algo así como un paso intermedio entre la computación clásica y la cuántica, siendo algo más pequeño y potente que los ordenadores actuales pero sin alcanzar el tamaño atómico y la potencia de los qubits.

Aún así, aquí cito los avances en computación cuántica de la última década.

2001 - El algoritmo de Shor ejecutado

IBM y la Universidad de Stanford, consiguen ejecutar por primera vez el algoritmo de Shor en el primer computador cuántico de 7-Qbit desarrollado en Los Álamos. En el experimento se calcularon los factores primos de 15, dando el resultado correcto de 3 y 5 utilizando para ello 1018 moléculas, cada una de ellas con 7 átomos.

2005 - El primer Qbyte

El Instituto de “Quantum Optics and Quantum Information” en la Universidad de Innsbruck (Austria) anunció que sus científicos habían creado el primer Qbyte, una serie de 8 Qbits utilizando trampas de iones.

2006 - Mejoras en el control del cuanto

Científicos en Waterloo y Massachusetts diseñan métodos para mejorar el control del cuanto y consiguen desarrollar un sistema de 12-Qbits. El control del cuanto se hace cada vez más complejo a medida que aumenta el número de Qbits empleados por los computadores.

2007 - D-Wave

La empresa canadiense D-Wave Systems había supuestamente presentado el 13 de febrero de 2007 en Silicon Valley, una primera computadora cuántica comercial de 16-qubits de propósito general; luego la misma compañía admitió que tal máquina, llamada Orion, no es realmente una computadora cuántica, sino una clase de máquina de propósito general que usa algo de mecánica cuántica para resolver problemas.

2007 - Bus cuántico

En septiembre de 2007, dos equipos de investigación estadounidenses, el National Institute of Standards (NIST) de Boulder y la Universidad de Yale en New Haven consiguieron unir componentes cuánticos a través de superconductores.

De este modo aparece el primer bus cuántico, y este dispositivo además puede ser utilizado como memoria cuántica, reteniendo la información cuántica durante un corto espacio de tiempo antes de ser transferido al siguiente dispositivo.

2008 - Almacenamiento

Según la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) de los EEUU, un equipo de científicos consiguió almacenar por primera vez un Qubit en el interior del núcleo de un átomo de fósforo, y pudieron hacer que la información permaneciera intacta durante 1.75 segundos. Este periodo puede ser expansible mediante métodos de corrección de errores, por lo que es un gran avance en el almacenamiento de información.

2009 - Procesador cuántico de estado sólido

El equipo de investigadores estadounidense dirigido por el profesor Robert Schoelkopf, de la Universidad de Yale, que ya en 2007 había desarrollado el Bus cuántico, crea ahora el primer procesador cuántico de estado sólido, mecanismo que se asemeja y funciona de forma similar a un microprocesador convencional, aunque con la capacidad de realizar sólo unas pocas tareas muy simples, como operaciones aritméticas o búsquedas de datos.

2011 - Primera computadora cuántica vendida

La primera computadora cuántica comercial es vendida por la empresa D-Wave Systems fundada en 1999 a Lockheed Martin por 10 millones de dólares.

2012 - Avances en chips cuánticos

IBM anuncia que ha creado un chip lo suficientemente estable para permitir que la informática cuántica llegue a hogares y empresas, se estima que en unos 10-12 años se pueda estar comercializando los primeros sistemas cuánticos.

Bibliografía

Wikipedia:

http://es.wikipedia.org/wiki/Bit#Bit_en_las_pel.C3.ADculas

http://es.wikipedia.org/wiki/Computaci%C3%B3n_cu%C3%A1ntica

Odisea:

http://www.youtube.com/watch?v=8z2Rsp_QJHI&feature=related

TedTalks,BoazAlmog http://www.ted.com/talks/lang/en/boaz_almog_levitates_a_superconductor.html

Big Think, Michio Kaku:

http://www.youtube.com/watch?v=rUWfod_8JsM&list=LPpMmjcbjyNKw&index=1&feature=plcp

Explaining Computers :

http://explainingcomputers.com/quantum.html

Youtube:

http://www.youtube.com/watch?v=rBdGPTLfskI

PREGUNTAS

1) ¿Qué valores del código binario puede adoptar el Qubit?

a) Depende del número de bits que contenga.

b) 1 y 0.

c) 1, 0 y todos los valores intermedios.

d) 1 o 0.

Respuesta: c.

2) ¿Cuáles son los problemas de la computación cuántica?

a) el qubit debe mantenerse a muy baja temperatura.

b) el qubit es muy difícil de programar.

c) el. qubit es muy difícil de aislar.

d) Todas las anteriores son correctas.

Respuesta: d.

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