Abstract
En este artículo se desarrollara los fundamentos, la historia y los conceptos básicos de lo que es la Computación cuántica, empezando con la aparición del Abaco (600 y 500 a.C.) hasta el desarrollo de computadoras cuánticas realizadas dentro de diamantes.
I. INTRODUCCION:
En la edición de la 35 aniversario de la revista Electronic Magazine. Hubo un a publicación en especial, realizada por Gordon Moore, uno de los fundadores de Intel. En la cual reporto que la cantidad de componentes en un circuito integrado de silicio se había duplicado desde el año 1959 hasta 1965, predijo que en 1975 se podrían incluir 6500 de estos componentes en un solo chip, hoy en día los componentes de un chip llegan a ser de un mil millones componentes.
La propuesta del cofundador de Intel es verificada día a día y se la conoce como al a Ley Moore Al tener en cuanta dicha ley podemos darnos cuenta de que llegara un punto en el cual cada componente (transistor) ocuparía cada átomo de silicio en un chip y llegaría el fin de la evolución de la computación, lo que conlleva la necesidad de descubrir formas de seguir evolucionando en temas de computación. También con el alto coste computacional que exigía los cálculos de la evolución de sistemas cuánticos, Richard Feyman (1982), empieza a estudiar la computación cuántica, considerando a los sistemas cuánticos no como objetos a calcular si no como herramientas de cálculo. El área se desarrollo lentamente hasta que Peer W. Shor en 1994, describió un algoritmo polinomial para factorizar enteros. Clásicamente el tiempo que cuesta realizar cálculos se puede reducir usando procesadores en paralelo, Para alcanzar una reducción exponencial es necesario un número exponencial de procesadores y por tanto una cantidad exponencial de espacio físico. Sin embargo, en sistemas cuánticos la capacidad de cálculo en paralelo crece, exponencialmente, respecto al espacio requerido por el sistema. Este efecto se llama paralelismo cuántico.
II. HISTORIA:
Antiguamente, los primeros modelos fueron manuales, estos se remontan aproximadamente hasta 500 A.C., cuando los egipcios inventaron un artefacto que consistía en una serie de esferas atravesadas por varillas; este artefacto fue cambiado y perfeccionado por los chinos; y posteriormente en el siglo XIII D.C. es cuando toma la forma clásica que conocemos; el ÁBACO esta´ compuesto por 10 líneas con 7 esferas cada una, una línea corta todas las líneas en dos partes una más grande que la otra, ubicándose 2 esferas en la parte superior y cinco en la parte inferior. Mucho tiempo después, se desarrollaron modelos mecánicos y eléctricos, es así que, Blaise Pascal, en 1649, fabricó la PASCALINA, una máquina que hacía operaciones de 8 dígitos. En 1820, Charles Babbage con la ayuda de la Condesa Ada Byron, construyó dos equipos totalmente mecánicos, usaban ejes, engranajes y poleas para realizar cálculos; Byron fue la primera persona que programó una computadora, tiempo después un lenguaje de programación fue nombrado como Ada en su honor. Herman Hollerith desarrolló unas máquinas que clasificaban, ordenaban y enumeraban tarjetas perforadas. Estas se usaron en el censo realizado en 1890 por el gobierno de los Estados Unidos de Norte América.
Konraz Suze, ingeniero alemán, en 1942, construyó la primera computadora digital (electromecánica binaria) programable.
Entre 1937 y 1942 Atanasoff y Berry, construyeron un prototipo compuesto de tubos al vacío, capacitores y un tambor de rotatorio para el manejo de los elementos de la memoria, fue usada para resolver ecuaciones matemáticas complejas. En 1941 Turing construyó la COLLOSUS, una computadora que usaba miles de válvulas, 2400 bombas de vidrio al vacío, y un escáner con capacidad de leer 5000 caracteres por cinta de papel. En 1944 IBM (Interna Business Machines) construye la MARK I en cooperación con la Universidad de Harvard, media 15 metros de largo, 2.40 metros de altura y pesaba cinco toneladas. La ENIAC contaba con 17468 tubos de vidrio al vacío similares a los tubos de radio, fue construida en 1946 en la Universidad de Pensylvania. Finalmente se inició la era digital, con modelos electrónicos basados inicialmente en tubos de vacío y luego en transistores. La EDVAC fue la primera computadora electrónica digital, su memoria consistía en líneas de mercurio dentro de un tubo de vidrio al vacío, donde se podía almacenar ceros y unos. El transistor, es el invento que más ha influenciado en la evolución de las computadoras, este fue concebido en 1948, por tres científicos en los laboratorios de Bell, este contiene un material semiconductor que funciona como un interruptor. En 1958 Kilby y Noycea, de la Texas Instrument, inventaron los circuitos integrados, haciendo que las computadoras fuesen cada vez más pequeñas. En Intel, en 1971, Hoff desarrollo un microprocesador de 4 bits que contenía 23000 transistores que procesaban 108 kHz o 0.06 MIPS, tenía 46 instrucciones y 4 kilobytes de espacio de almacenamiento. En 1974 Intel presentó una CPU compuesto por el microchip 8080, este contenía 4500 transistores y podía almacenar 64 kilobytes de memoria RAM, tenía un bus de datos de 8 bits. Wozniak y Jobs, en 1976, empiezan con Apple, revolucionando el mundo de las computadoras al introducir la interfaz gráfica y el ratón. El microprocesador Intel 8086, se lanzó en 1978, e inició una nueva era en la producción de computadoras personales. A comienzos de la década de los 80 IBM empezó a desarrollar las computadoras personales con PC-DOS como sistema operativo, empezando así una nueva era, donde las computadoras estaban al alcance de todos.
Las computadoras portátiles, las computadoras vertibles, y los modelos no comerciales que son tan pequeños como una moneda de un centavo. La constante miniaturización de los componentes de hardware ha logrado la realización de nano circuitos.
III. COMPUTADORA CUÁNTICA:
Pronto no será posible reducir más los circuitos, debido a que muy pronto la miniaturización será tal que las leyes de la física clásica ya no sean validas, entonces se entrará en los dominios del mundo subatómico, donde las leyes de la física de la mecánica cuántica tienen validez. El cambio en los componentes fundamentales de las computadoras, hace necesario redefinir muchos elementos de la computación actual, la arquitectura, los algoritmos, y los componentes de hardware. Es así como nace la computación cuántica y con ella los algoritmos cuánticos. La aplicabilidad de la computación cuántica depende de la posibilidad de desarrollar una computadora cuántica. Un ejemplo del inmenso poder de las computadoras cuánticas es el algoritmo cuántico para determinar si un número es primo. Una computadora actual se tardaría miles y hasta millones de años (dependiendo de cuan grande sea el número a factorizar) en ejecutar tal algoritmo; a diferencia de una computadora cuántica le tomaría tan solo unos cuantos segundos el completar la tarea. La teoría de la computación cuántica está basada en la interacción del mundo atómico. Estas investigaciones todavía está en laboratorio pero sus resultados son bastantes alentadores y con el desarrollo de la primera computadora cuántica de cinco qubits desarrollado por Steffen et al [Steffen01]. Fundamentos de la computación cuántica: La computación cuántica está basada en las propiedades de la interacción sub atómica, una de ellas es la superposición de dos estados simultáneamente, la cual es ampliamente aprovechada en el desarrollo teórico de los algoritmos cuánticos, logrando una capacidad de procesamiento exponencial La superposición cuántica permite mantener simultáneamente dos estados en un bit cuántico, es decir 0 y 1 a la vez, a diferencia de un bit q solo puede tener un solo estado a la vez, la superposición cuántica logra el paralelismo cuántico.
IV. ELEMENTOS BÁSICOS DE LA COMPUTACIÓN CUÁNTICA:
El elemento básico de la computación cuántica es el bit cuántico o qubit 1 (quantum bit por sus siglas en inglés), un qubit representa ambos estados simultáneamente, un "0" y un "1" lógico, dos estados ortogonales de una sub partícula atómica, como es representada en la figura 1. El estado de un qubit se puede escribir como describiendo su múltiple estado simultáneo. Un vector de dos qubits, representa simultáneamente, los estados 00, 01, 10 y 11; un vector de tres qubits, representa 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.
Figure 1. . Representación de cuatro estados diferentes de un qubit. [Steffen01]
Cualquier sistema cuántico con dos estados discretos distintos puede servir como qubit, un espín de electrón que apunta arriba o abajo, o un espín de fotón con polarización horizontal o vertical. En la figura 1 se tiene una representación pictórica de cuatro diferentes estados basado en el espín de un núcleo atómico, por lo que puede ser usado como un qubit. Un qubit no puede ser clonado, no puede ser copiado, y no puede ser enviado de un lugar a otro.
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