Computadoras Cuánticas

Resumen

En este documento se explica como la rama de la computación se ha ido desarrollando a lo largo de los años. La informática es una ciencia que avanza con gran rapidez, así vemos que las computadoras obsoletas de hoy eran de última tecnología hace pocos años atrás. Nos introduciremos en el análisis de las computadoras cuánticas, que prometen un futuro con máquinas de capacidades increíbles.

Index Terms—Cuántico.

Introducción

En estas últimas décadas hemos observado que el avan- ce tecnológico ha sido impresionante. El campo de la computación e informática han sido las que más rápido han progresado. Hemos visto cada día artefactos de tecnología innovadora que nos sorprenden con sus características. Las computadoras cada vez son más rápidas; y es más frecuente escuchar del inicio de las computadoras cuánticas. Este tipo de tecnología revolucionara para siempre el mundo de las infor- mática por sus grandes capacidades de manejo de información y velocidad. "Los circuitos actuales contienen transistores y líneas de conducción cuya anchura es sólo una centésima parte de la de un cabello humano. Las máquinas de nuestros días son millones de veces más potentes que sus rudimentarias

antepasados a causa de tan explosivo progreso.

Mediante técnicas litográficas avanzadas podrían producirse elementos cien veces menores que los hoy disponibles. Pero a tal escala, en la que la materia se presenta como una muchedumbre de átomos disgregados, los circuitos integrados apenas consiguen funcionar. Al reducir la escala diez veces más, los átomos manifiestan ya su identidad individual, y basta un solo defecto para provocar una catástrofe. Por consiguiente, si se pretende que las computadoras del futuro reduzcan su tamaño, será preciso que la técnica de uso se reemplacé o complemente con otras nuevas." [1]

DESARROLLO

Historia

Cuando teóricos tales como Richard Feynmann, del Ca- lifornia Institute of Technology, de Pasadena (California); Paul Benioff, de Argonne National Laboratory, en Illinois; David Deutsch, de la Universidad de Oxford, en Inglaterra, y Charles Bennett, del T.J. Watson Research Center de IBM en Yorktown Heights (Nueva York), propusieron por primera vez el concepto de las computadoras cuánticas en las décadas de

1970 y 1980, muchos científicos dudaron que alguna vez ese tipo de computadora pudiera resultar práctica. Pero en 1994, Peter Shor, de AT and T Research, describió un algoritmo cuántico específicamente diseñado para factorizar números grandes y exponencialmente más rápido que las computadoras convencionales, lo suficientemente rápido como para burlar la seguridad de muchos criptosistemas de clave pública. El potencial del algoritmo de Shor alentó a muchos científicos a tratar de explotar las capacidades de las computadoras cuánticas. En los últimos años, varios grupos de investigación de todo el mundo han alcanzado progresos significativos en este campo. [2]

Figura 1. El algoritmo de Shor alento a científicos a investigar y desarrollar computadoras cuánticas

No hace mucho tiempo, se inició la era digital, con modelos electrónicos basados inicialmente en tubos de vacío y luego en transistores. La EDVAC fue la primera computadora electróni- ca 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. 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 vestibles, y los modelos no comerciales que son tan pequeños como una moneda de un centavo. Actualmente, las computadoras portá- tiles, los asistentes personales digitales PDA (Personal Digital Assistant por sus siglas en inglés) y los teléfonos celulares, se caracterizan por su reducido tamaño y portabilidad; y. En el futuro, las computadoras usables ("Body wearable computers" en inglés), integradas en el espacio personal del usuario o de la usuaria, reemplazarán a todos los dispositivos mencionados en el párrafo anterior, y serán tan o aún mas populares. Estas computadoras requieren componentes aún más pequeños que los actuales. [3]

Mecánica Cuántica

Figura 2. Dualidad

El concepto reducido se refiere aquí a tamaños a partir de los cuales empiezan a notarse efectos como el principio de indeterminación de Heisenberg que establece la imposibilidad de conocer con exactitud, arbitraria y simultáneamente, la posición y el momento de una partícula. Así, los principios fundamentales de la mecánica cuántica establecen con ma- yor exactitud el comportamiento y la dinámica de sistemas irreversibles. Los efectos sobre la materia son notables en materiales mesoscópicos, aproximadamente 1.000 átomos de composición.

La mecánica cuántica antigua fue fundada por Max Plankc en el año 1900. Gracias a ella nació otro tipo de física nece- saria para la moderna tecnología que vendría a continuación, que es la tecnología que actualmente usamos. Así resultó el efecto fotoeléctrico que se utiliza en las plantas de energía eléctricas para capturar la luz solar en celdas de silicio, dando lugar a la creación de las corrientes eléctricas.[13]

Algunos fundamentos importantes de la teoría son que la energía no se intercambia de forma continua. En todo intercambio energético hay una cantidad mínima involucrada, llamada cuanto. El principio de complementariedad de Bohr dice que aparecen juntas propiedades aparentemente contra- dictorias. Por ejemplo, un electrón o un fotón son, al mismo tiempo, una onda y una partícula. Como partícula, están en un punto determinado del Cosmos. Pero como onda se extienden por todo el Cosmos, y pueden estar en cualquier parte. Sin duda, inquietante. [11][12]

¿Qué es un computador Cuántico?

Figura 3. Primer computador cuántico presentado por D-Wave

De acuerdo con Popular Mechanics, una computadora cuán- tica es aquella que trabaja con unos y ceros, pero esos números son representados por electrones que alternan entre un estado de energía aterrizada (0) o excitada (1). Cada uno de estos bits cuánticos (qubits) logra suspenderse en una especie de limbo, y actúa como 0 y 1 al mismo tiempo. En cristiano: en una computadora clásica cualquier registro de tres bits (101) podría almacenar en un momento específico sólo una de ocho posibilidades. Por otro lado, un registro quantum de tres qubits podría almacenar en un momento específico los ocho números en una superposición cuántica (000, 001, 010, 011, 100, 101,

110, 111) o 2 a la "n" cálculos, siendo "n" el número de qubits. Esta propiedad les permite realizar muchas operaciones distintas en paralelo.[8]

Las computadoras cuánticas son diferentes de las compu- tadoras tradicionales basadas en transistores. El principio bá- sico detrás de la computación cuántica es que las propiedades cuánticas pueden ser usadas para representar datos y realizar operaciones sobre los mismos. La computación cuántica se basa en el uso de qubits en lugar de bits, y da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos. Una misma tarea puede tener diferente complejidad en compu- tación clásica y en computación cuántica, lo que ha dado lugar a una gran expectación, ya que algunos problemas intratables pasan a ser tratables. Un modelo teórico es la máquina cuántica de Turing, también conocida como computadora cuántica universal. Son capaces de ejecutar cualquier tarea simplemente preparándola de modo adecuado. Un procesador de información puede ser una máquina con una tarea mucho más específica, tal como realizar operaciones matemáticas, o adaptar señales eléctricas para digitalizar sonidos. Las tareas de la mecánica cuántica computa de manera más eficiente que la clásica no son todas; de hecho, son una pequeña parte, cuya aplicabilidad en el fondo es más bien reducida. [14][16]

Funcionamiento

Este nuevo tipo de computación utiliza la información codi- ficada en bits cuánticos o qubits, poniendo en funcionamiento una teoría que los científicos han estado discutiendo durante décadas. "Las propiedades especiales de los qubits permitirán a los ordenadores cuánticos trabajar en millones de cálculos a la vez, mientras que las computadoras personales de escritorio pueden manejar un mínimo de cálculos simultáneos", dijo IBM en un comunicado. [4]

Las nano-computadoras tendrán componentes cuyo funcio- namiento se rigen por los principios de la mecánica cuán- tica, pero los algoritmos que ellas ejecuten probablemente no involucren un comportamiento cuántico; mientras que las computadoras cuánticas buscan una posibilidad más excitante, usar la mecánica cuántica en un nuevo tipo de algoritmo que sería fundamentalmente más poderoso que cualquier otro esquema clásico. Una computadora que puede ejecutar computadora que pueda ejecutar este tipo de algoritmo será una verdadera computadora cuántica. Un computador cuántico proporciona paralelismo masivo aprovechando la naturaleza exponencial de la mecánica cuántica. Un computador cuántico puede almacenar una cantidad exponencial de datos, y realizar un número exponencial de operaciones usando recursos poli- nomiales. Este paralelismo cuántico no es fácil de aprovechar. Sin embargo, unos algoritmos cuánticos descubiertos en 1993 (Algoritmo de Shor) han creado un interés en el potencial de las computadoras cuánticas. [5]

Características

Mientras que en la computación que usamos hoy en día, cada bit puede presentarse en estados alternativos y discretos a la vez, en la computación cuántica cada bit llega a estar en múltiples estados en un mismo instante. Gracias a esto, podremos llegar a reducir exponencialmente el tiempo emplea- do por los algoritmos actuales. Existe una arquitectura muy parecida a las que tenemos actualmente, que ha tenido mucho éxito en el ámbito teórico y cuya realización depende de la futura implementación de una computadora cuántica. Algunos ejemplos desarrollados teóricamente con mucho éxito son la anteriormente mencionada búsqueda de factores de números primos, o la búsqueda en bases de datos no ordenadas. La base teórica de la computación cuántica se basa en las interacciones del mundo atómico, así como en futuras implementaciones de computadoras cuánticas, obteniéndose por el momento resultados muy alentadores. Para entender esto último hemos de tener en cuenta que los qubits pueden representar cuatro números al mismo tiempo (en lógica binaria sólo se permite un 1 o un 0 para un único bit), de ahí esta duplicación de capacidad, no sólo de las memorias o dispositivos de almace- namiento secundario, sino también del resto de componentes como microprocesadores, tarjetas de sonido, de video. . . lo que conllevaría además un aumento de la velocidad de estos microprocesadores. [6]

Las dos aplicaciones más importantes de la información cuántica se dan en el dominio de la criptografía y en el de la computación. Mediante la criptografía cuántica, es posible enviar y recibir mensajes cifrados con la total seguridad de una clave indescifrable. Es más, el procedimiento usado permitiría detectar sin esfuerzo la presencia de terceros que intentaran adentrarse en el sistema de transmisión. [19]

En el cómputo cuántico la unidad mínima de información es el qubit (quantum bit) que, a diferencia del bit que sólo puede tomar los valores 0 y 1, se encuentra en una superposición simultánea de dos estados cuánticos I0> y I1>. Por extensión, en dos qubits se da una superposición de los estados I00>, I01>, I10> y I11> y en N qubits se encuentran simultánea- mente superpuestos 2N estados. Esta superposición cuántica permite la posibilidad de realizar un procesamiento paralelo a gran escala. Es decir, la capacidad operacional de un ordenador cuántico aumenta exponencialmente con el tamaño del mismo, el número de qubits.

El estado de un qubit puede verse como un punto en la superficie de una esfera (llamada esfera de Bloch). En esta representación los polos de la esfera representan los bits clásicos "0´´ y "1´´ y todos los demás puntos son las distintas posibilidades que puede tomar un qubit.[7]

Figura 4. Tabla de Qubit

Arquitectura Cuántica

Es muy parecida a la de los ordenadores que actual- mente conocemos, aunque añade componentes que utiliza la computación cuántica. La arquitectura que se propuso estaría formada por una ALU y memoria cuánticos, y también un planificador. Hay un aspecto que debe tenerse en cuanta a la hora del desarrollo de la arquitectura, la corrección de errores. Acualmente se conoce como realizar escrituras y lecturas en sistemas cuánticos,para la escritura se realiza una manipulación de energía para poder escribir 0 o 1, la lectura sería similar, en cuanto a la corrección de errores deberá ser tenida en cuanta ya que los sistemas que trabajan con registros y procesan información son suceptibles al ruido, lo cual puede modificar bits de forma aleatoria. Trataremos la arquitectura propuesta por Oskin et al, la cual esta formada por la ALU cuántica, memoria cuántica, y un planificador dinámico.[15]

Los científicos comenzaron a diseñar un ordenador cuán- tico basado en un sistema de muchos registros de pequeño tamaño que estarían unidos entre sí. De esta forma crearon un método revolucionario basado en un concepto formulado por los físicos teóricos Ignacio Cirac y Peter Zoller. Ambos son considerados eminencias en los ámbitos de los átomos fríos, la óptica cuántica y la información cuántica, y en la base de sus investigaciones se encuentra el empleo del mundo microscópico para construir ordenadores cuánticos y sistemas de comunicación.[18]

Actualmente

La comunidad científica todavía debate si alguna vez se podrá construir una verdadera computadora cuántica. Pero la compañía lD-Wave avanza con rapidez. Ya se ganó al principal fabricante de armas del Pentágono y ahora recibió otro enorme respaldo: una colaboración a tres bandas entre la agencia espacial estadounidense, la NASA, Google y la Universities Space Research Association (USRA) para adquirir la segunda computadora D-Wave Dos. D-Wave Systems, una firma con sede en Canadá, adquiririó prominencia en 2007 cuando sorprendió a la comunidad científica al anunciar que había construido la primera computadora cuántica del mundo. La noticia fue recibida con escepticismo y críticas, particular- mente de científicos que querían pruebas publicadas, evaluadas por sus pares, antes que un mero anuncio público. Desde entonces, sin embargo, D-Wave no sólo ha publicado literatura científica al respecto, sino que ha ganado importantes clientes. [9]

Los ordenadores cuánticos aprovechan las extrañas propiedades de la mecánica cuántica de los átomos y otros bloques de creación del cosmos. A escala diminuta, el universo se convierte en un lugar borroso y surrealista. Los objetos aparentemente pueden existir en más de un lugar al mismo tiempo o girar en direcciones opuestas al mismo tiempo.[10]

Computadora cuántica de diamante

El diamante es una piedra preciosa que a lo largo del tiempo ha sido bastante condicionada por su valor industrial y orna- mental. Recientes investigaciones demuestran que este mineral posee tiempos de decoherencia del orden de una hora. Esto lo convierte en un material crítico que servirá como bloque de construcción de la nueva tecnología, denominada ingeniería cuántica. La idea de utilizar el diamante es bastante simple: consiste en emplear un sistema de dos espines nucleares, formado por un núcleo de nitrógeno implantado en el centro del diamante, y una vacante en una posición vecina, inmediata al nitrógeno, en una red de cadenas nucleares. [20]

Teletransportación cuántica

Figura 5. Teletransportación cuántica

Gracias a una tecnología híbrida, es posible realizar una transmisión muy fiable de bits cuánticos fotónicos, como se ha demostrado en un experimento cuyos resultados han sido analizados cuidadosamente. En la teleportación cuántica se transfieren estados cuánticos arbitrarios desde un emisor, hasta un receptor, que está alejado en el espacio. Esto requiere que inicialmente compartan un estado de entrelazamiento cuán- tico a través del espacio que les separa, un entrelazamiento cuántico que puede por ejemplo estar en la forma de fotones entrelazados cuánticamente. El concepto de entrelazamiento cuántico fue formulado por primera vez por Erwin Schrödin- ger, y describe una situación en la que dos sistemas cuánticos, como por ejemplo dos partículas de luz, están en un estado conjunto, por lo que sus comportamientos son mutuamente dependientes a un nivel mayor del que es posible normalmente (bajo condiciones clásicas). En el experimento de Tokio, se consiguió el entrelazamiento continuo mediante la estrategia de entrelazar muchos fotones en "parejas". [17]

Conclusiones

En la actualidad las computadoras cuanticas disponen de un número limitado de qubits para resolver problemas. Sin embargo el desarrollo en este campo permitirá en un futuro contar con computadoras con un mayor número de qubits.

Los continuos avances en las realizaciones prácticas de los diferentes modelos teóricos parecen indicar que el ordenador cuántico estará entre nosotros antes de lo que podíamos creer, pero aún así, es difícil aventurarse a dar una fecha aproximada. El propio Cirac, en una entrevista a ABC ha apuntado que es muy posible que aún se tarde varias décadas. [7]

Conforme la miniaturización de los componentes de la computadora continúe, llegará el momento en que los fenó- menos que estudia la física cuántica tengan que ser tomados en cuenta en la construcción de nuevas computadoras. En este sentido, la miniaturización en base a los componentes actuales tiene un límite definido por la aparición de estos fenómenos. Una alternativa para este problema es el aprovechamiento de la interferencia cuántica para construir un nuevo tipo de computadora: el computador cuántico, que haga uso de nuevos algoritmos y nuevos tipos de "hardware". El trabajo teórico permite suponer que es posible construir este tipo de computador, y de hecho ya se han inventado los primeros algoritmos. Sin embargo, aunque se han hecho experimentos alentadores utilizando electrones y moléculas; el fenómeno de la "decoherencia" no ha podido ser resuelto satisfactoriamente por lo que la realización práctica de la nueva computadora re- sulta aún un tanto incierta, aunque algunos científicos piensan que antes de 10 años se podrá contar con el primer procesador cuántico. [16]

Bibliografía

[1]Sergi Vela Llausí/Computación Cuántica/Espectroscopía, Fotoquímica y Lasers-Curso 2008/2009

[2]Ciencia y Tecnología/computo cuántico/disponible en:

http://cecytemvalledechalcosolidaridad.weebly.com/historia– de-la-computacion-cuantica.html

[3]Andrés Mauricio Gonzalez Sepulveda/Computación cuántica. Introducción a la ingeniería/Fundación Universitaria San Martín

[4]Artículo Diario Informador-México/tecnología/IBM avanza hacia una computadora cuántica, próxima revolución informática

[5]Lic. Jesús Peña/Monografías/Computadores Cuánticos

[6]Eduardo Alvarado Sanchez, Javier Corral García, Eduardo de la Montaña Gutiérrez/Computación cuánti- ca/Epistemowikia

[7]¿Qué es la Computación Cuántica?/publicado 11-02-13 en Los Mundos de Brana [8]Informática Cuántica/disponible

en: http://informaticacuantica.comule.com/index.html

[9]Sharon Weinberger/artículo BBC Future/Por qué Google y el Pentágono quieren computadoras cuánticas

[10]Charles Choi/Google y la NASA lanzan el Laborato- rio de IA de Computación Cuántica/publicado 20-05-13/MIT Technology Review

[11]La mecánica cuántica/ disponible en:

http://www.mecanicacuantica.com/introduction.htm

[12]Astronomía/Los princípios cuánticos/ disponible en:

http://www.astromia.com/astronomia/principioscuanticos.htm

[13]Otto Nuñez/Mecánica cuántica: curiosidades y conse- cuencias/PUBLICADO EL JUL 18, 2013/ojocientífico.com

[14]Definición de computadora cuántica/alegsa/disponible en: http://www.alegsa.com.ar/Dic/computadora %20cuantica.php

[15]Luis Manuel Correas Ramos, Miguel Bonilla Rosado, Abel Bravo Vicente/Computadores Cuánticos/Epistemowikia

[16]Nasser Darwish Miranda/Computación cuántica/Universidad de La Laguna/disponible en: http://www.fceia.unr.edu.ar [17]Exitosa teleportación cuántica de fotones/NCYT Amazings/FÍSICA/24 octubre

2013 [18]Nueva arquitectura de computación cuántica/10

Mar 2011/LaFlecha-Diario de ciencia y tecnología [19]José

Luis Sánchez Gómez/La realidad cuántica revoluciona el mundo de la información/tendencias científicas

[20]Manuel Ávila Aoki y Pablo Vera González/Hacia una computadora cuántica de diamante/diciembre de 2008

Autor:

Saraguro Gonzalez Williams Lenin

Universidad Politécnica Salesiana Electrónica Analógica II