Computación cuántica

La computación cuántica o informática cuántica^[1]​ es un paradigma de computación distinto al de la informática clásica o computación clásica. Se basa en el uso de cúbits, una especial combinación de unos y ceros. Los bits de la computación clásica pueden estar en 1 o en 0, pero solo un estado a la vez; en tanto el cúbits puede tener los dos estados simultáneos también. Esto da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos.

La esfera de Bloch es una representación de un cúbit, el bloque de construcción fundamental de los computadores cuánticos.

Una misma tarea puede tener diferente complejidad en computación clásica y en computación cuántica, lo que ha dado lugar a una gran expectación, ya que algunos problemas intratables pasan a ser tratables. Mientras que un computador clásico equivale a una máquina de Turing,^[2]​ un computador cuántico equivale a una máquina de Turing cuántica.

El enfoque de la computadora cuántica es resolver problemas de una manera fundamentalmente nueva. Investigadores esperan que con este nuevo enfoque de la computación, puedan comenzar a explorar algunos problemas que nunca podremos resolver de otra manera. La razón por la que están construyendo este tipo de computadoras es porque piensan que algún día van a hacer muchas cosas realmente importantes, como ayudar a comprender mejor la naturaleza, tal vez ayudarlos a crear una nueva medicina para ayudar a las personas.

La doctora Talia Gershon (Directora de Estrategia de Investigación e Iniciativas de Crecimiento en IBM) describe la computación cuántica, de manera muy general, como una combinación entre tres factores: la superposición de giros, el entrelazamiento de dos objetos y la interferencia, la cual ayuda a controlar los estados cuánticos y amplificar los tipos de señales que están hacia la respuesta correcta, y luego cancelar los tipos de señales que conducen a la respuesta incorrecta.

Origen de la computación cuántica

A medida que evoluciona la tecnología y se reduce el tamaño de los transistores para producir microchips cada vez más pequeños, esto se traduce en mayor velocidad de proceso. Sin embargo, no se pueden hacer los chips infinitamente pequeños, ya que hay un límite tras el cual dejan de funcionar correctamente. Cuando se llega a la escala de nanómetros, los electrones se escapan de los canales por donde deben circular. A esto se le llama efecto túnel.

Una partícula clásica, si se encuentra con un obstáculo, no puede atravesarlo y rebota. Pero con los electrones, que son partículas cuánticas y se comportan como ondas, existe la posibilidad de que una parte de ellos pueda atravesar las paredes si son lo suficientemente delgadas; de esta manera la señal puede pasar por canales donde no debería circular. Por ello, el chip deja de funcionar correctamente.

La idea de computación cuántica surge en 1981, cuando Paul Benioff expuso su teoría para aprovechar las leyes cuánticas en el entorno de la computación. En vez de trabajar a nivel de voltajes eléctricos, se trabaja a nivel de cuanto. En la computación digital, un bit solo puede tomar dos valores: 0 o 1. 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 1 y 0 a la vez (dos estados ortogonales de una partícula subatómica). Eso permite que se puedan realizar varias operaciones a la vez, según el número de cúbits.

El número de cúbits indica la cantidad de bits que pueden estar en superposición. Con los bits convencionales, si se tenía un registro de tres bits, había ocho valores posibles y el registro solo podía tomar uno de esos valores. En cambio, si se tenía un vector de tres cúbits, la partícula puede tomar ocho valores distintos a la vez gracias a la superposición cuántica. Así, un vector de tres cúbits permitiría un total de ocho operaciones paralelas. Como cabe esperar, el número de operaciones es exponencial con respecto al número de cúbits.

Para hacerse una idea del gran avance, un computador cuántico de 30 cúbits equivaldría a un procesador convencional de 10 teraflops (10 millones de millones de operaciones en coma flotante por segundo), actualmente la supercomputadora Summit tiene la capacidad de procesar 200 petaflops.

Problemas de la computación cuántica

Uno de los obstáculos principales para la computación cuántica es el problema de la decoherencia cuántica, que causa la pérdida del carácter unitario (y, más específicamente, la reversibilidad) de los pasos del algoritmo cuántico. Los tiempos de decoherencia para los sistemas candidatos, en particular el tiempo de relajación transversal (en la terminología usada en la tecnología de resonancia magnética nuclear e imaginería por resonancia magnética) está típicamente entre nanosegundos y segundos, a temperaturas bajas. Las tasas de error son típicamente proporcionales a la razón entre tiempo de operación frente a tiempo de decoherencia, de forma que cualquier operación debe ser completada en un tiempo mucho más corto que el tiempo de decoherencia. Si la tasa de error es lo bastante baja, es posible usar eficazmente la corrección de errores cuántica, con lo cual sí serían posibles tiempos de cálculo más largos que el tiempo de decoherencia y, en principio, arbitrariamente largos. Se cita con frecuencia una tasa de error límite de 10^–4, por debajo de la cual se supone que sería posible la aplicación eficaz de la corrección de errores cuánticos.

El doctor Steven Girvin (profesor de física en el Instituto Cuántico de Yale), cuyo enfoque principal es la corrección de errores cuánticos y tratar de comprender el concepto de tolerancia a fallas, dice que "todos creen saberlo cuando lo ven, pero nadie en el caso cuántico puede definirlo con precisión". Así mismo, menciona que en un sistema cuántico, cuando se observa la tolerancia a fallas o se realizan mediciones, el sistema puede cambiar de una manera que está fuera de control.

Otro de los problemas principales es la escalabilidad, especialmente teniendo en cuenta el considerable incremento en cúbits necesarios para cualquier cálculo que implica la corrección de errores. Para ninguno de los sistemas actualmente propuestos es trivial un diseño capaz de manejar un número lo bastante alto de cúbits para resolver problemas computacionalmente interesantes hoy en día.

Hardware para computación cuántica

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 Vincenzo, y hay varios candidatos actualmente.

Ingenieros de Google trabajan (2018) en un procesador cuántico llamado "Bristlecone".

Condiciones 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 cúbits de forma controlada, con un conjunto de operaciones que forme un conjunto universal de puertas lógicas (para poder reproducir 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 cúbits, para tratar con problemas de mayor coste computacional.

Candidatos

Véase también: Qubit#Representación física

• Espines nucleares de moléculas en disolución, en un aparato de RMN.
• Flujo eléctrico en SQUID.
• Iones suspendidos en vacío.
• Puntos cuánticos en superficies sólidas.
• Imanes moleculares en micro-SQUID.
• Computadora cuántica de Kane.
• Computación adiabática, basada en el teorema adiabático.

Procesadores

En 2004, científicos del Instituto de Física aplicada de la Universidad de Bonn publicaron resultados sobre un registro cuántico experimental. Para ello utilizaron átomos neutros que almacenan información cuántica, por lo que son llamados cúbits por analogía con los bits. Su objetivo actual es construir una puerta cuántica, con lo cual se tendrían los elementos básicos que constituyen los procesadores, que son el corazón de los computadores actuales. Cabe destacar que un chip de tecnología VLSI contiene actualmente más de 100 000 puertas, de manera que su uso práctico todavía se presenta en un horizonte lejano.

Transmisión de datos

Científicos de los laboratorios Max Planck y Niels Bohr publicaron en la revista Nature en noviembre de 2004, resultados sobre la transmisión de información cuántica a distancias de 100 km usando la luz como vehículo.^[3]​ obteniendo niveles de éxito del 70 %, lo que representa un nivel de calidad que permite utilizar protocolos de transmisión con autocorrección. Actualmente se trabaja en el diseño de repetidores, que permitirían transmitir información a distancias mayores a las ya alcanzadas.

Programas de computación

Algoritmos cuánticos

Artículo principal: Algoritmo cuántico

Los algoritmos cuánticos se basan en un margen de error conocido en las operaciones de base y trabajan reduciendo el margen de error a niveles exponencialmente pequeños, comparables al nivel de error de las máquinas actuales.

• Algoritmo de Shor
• Algoritmo de Grover
• Algoritmo de Deutsch-Jozsa

Modelos

• Computadora cuántica de Benioff
• Computadora cuántica de Feynman
• Computadora cuántica de Deutsch

Complejidad

La clase de complejidad BQP estudia el costo de los algoritmos cuánticos con bajo margen de error.

Problemas propuestos

Se ha sugerido el uso de la computación cuántica como alternativa superior a la computación clásica para varios problemas, entre ellos:

• Factorización de números enteros
• Logaritmo discreto
• Simulación de sistemas cuánticos: Richard Feynman conjeturó en 1982 que los ordenadores cuánticos serían eficaces como simuladores universales de sistemas cuánticos, y en 1996 se demostró que la conjetura era correcta.^[4]​^[5]​

Cronología

Años 1980

A comienzos de la década de 1980, empezaron a surgir las primeras teorías que apuntaban a la posibilidad de realizar cálculos de naturaleza cuántica.

1981 - Paul Benioff

Las ideas esenciales de la computación cuántica surgieron de la mente de Paul Benioff, quien trabajaba en el Argone National Laboratory, en Illinois, Estados Unidos. Imaginó un ordenador tradicional (máquina de Turing) que trabajaba con algunos principios de la mecánica cuántica.

1981-1982 Richard Feynman

Richard Feynman, físico del Instituto de Tecnología de California (Estados Unidos) y ganador del Premio Nobel en 1965, presentó una ponencia durante la Primera Conferencia sobre la Física de la Computación, realizada en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (Estados Unidos). Su charla, titulada Simulación de la física con computadoras (Simulating physics with computers), proponía el uso de fenómenos cuánticos para realizar cálculos computacionales y exponía que, dada su naturaleza, algunos cálculos de gran complejidad se realizarían más rápidamente en un ordenador cuántico.

1985 - David Deutsch

David Deutsch, físico israelí de la Universidad de Oxford, Inglaterra, describió el primer computador cuántico universal, es decir, capaz de simular cualquier otro computador cuántico (principio de Church-Turing ampliado). De este modo, surgió la idea de que un computador cuántico podría ejecutar diferentes algoritmos cuánticos.^{[cita requerida]}

Años 1990

En esta época la teoría empezó a plasmarse en la práctica: aparecieron los primeros algoritmos cuánticos, las primeras aplicaciones cuánticas y las primeras máquinas capaces de realizar cálculos cuánticos.

1993 - Dan Simon

Desde el departamento de investigación de Microsoft (Microsoft Research), surgió un problema teórico que demostraba la ventaja práctica que tendría un computador cuántico frente a uno tradicional.

Comparó el modelo de probabilidad clásica con el modelo cuántico y sus ideas sirvieron como base para el desarrollo de algunos algoritmos futuros (como el de Shor).

1993 - Charles Benett

Este trabajador del centro de investigación de IBM en Nueva York descubrió el teletransporte cuántico y que abrió una nueva vía de investigación hacia el desarrollo de comunicaciones cuánticas.

1994-1995 Peter Shor

Este científico estadounidense de AT&T Bell Laboratories definió el algoritmo que lleva su nombre y que permite calcular los factores primos de números a una velocidad mucho mayor que en cualquier computador tradicional. Además su algoritmo permitiría romper muchos de los sistemas de criptografía utilizados actualmente. Su algoritmo sirvió para demostrar a una gran parte de la comunidad científica que observaba incrédula las posibilidades de la computación cuántica, que se trataba de un campo de investigación con un gran potencial. Además, un año más tarde, propuso un sistema de corrección de errores en el cálculo cuántico.

1996 - Lov Grover

Inventó el algoritmo de búsqueda de datos que lleva su nombre, algoritmo de Grover. Aunque la aceleración conseguida no es tan drástica como en los cálculos factoriales o en simulaciones físicas, su rango de aplicaciones es mucho mayor. Al igual que el resto de algoritmos cuánticos, se trata de un algoritmo probabilístico con un alto índice de acierto.

1997 - Primeros experimentos

En 1997 se iniciaron los primeros experimentos prácticos y se abrieron las puertas para empezar a implementar todos aquellos cálculos y experimentos que habían sido descritos teóricamente hasta entonces. El primer experimento de comunicación segura usando criptografía cuántica se realiza con éxito a una distancia de 23 km. Además se realiza el primer teletransporte cuántico de un fotón.

1998 - 1999 Primeros cúbits

Investigadores de Los Álamos y el Instituto Tecnológico de Massachusetts consiguen propagar el primer cúbit a través de una solución de aminoácidos. Supuso el primer paso para analizar la información que transporta un cúbit. Durante ese mismo año, nació la primera máquina de 2 cúbits, que fue presentada en la Universidad de Berkeley, California (EE. UU.) Un año más tarde, en 1999, en los laboratorios de IBM-Almaden, se creó la primera máquina de 3 cúbits y además fue capaz de ejecutar por primera vez el algoritmo de búsqueda de Grover.

Año 2000 hasta ahora

2000 - Continúan los progresos

De nuevo IBM, dirigido por Isaac Chuang (Figura 4.1), creó un computador cuántico de 5 cúbits capaz de ejecutar un algoritmo de búsqueda de orden, que forma parte del Algoritmo de Shor. Este algoritmo se ejecutaba en un simple paso cuando en un computador tradicional requeriría de numerosas iteraciones. Ese mismo año, científicos de Los Álamos National Laboratory (EE. UU.) anunciaron el desarrollo de un computador cuántico de 7 cúbits. Utilizando un resonador magnético nuclear se consiguen aplicar pulsos electromagnéticos y permite emular la codificación en bits de los computadores tradicionales.

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 cúbits 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 siete átomos.

2005 - El primer Qbyte

El Instituto de Óptica e Información Cuántica de la Universidad de Innsbruck (Austria) anunció que sus científicos habían creado el primer qbyte, una serie de 8 cúbits 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 cúbits. El control del cuanto se hace cada vez más complejo a medida que aumenta el número de cúbits 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 cúbits 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.^{[cita requerida]}

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 EE. UU., 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 solo unas pocas tareas muy simples, como operaciones aritméticas o búsquedas de datos.

Para la comunicación en el dispositivo, esta se realiza mediante fotones que se desplazan sobre el bus cuántico, circuito electrónico que almacena y mide fotones de microondas, aumentando el tamaño de un átomo artificialmente.

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.^[6]​

2012 - Avances en chips cuánticos

IBM anuncia que ha creado un chip lo suficientemente estable como para permitir que la informática cuántica llegue a hogares y empresas. Se estima que en unos 10 o 12 años se puedan estar comercializando los primeros sistemas cuánticos.^[7]​

2013 - Computadora cuántica más rápida que un computador convencional

En abril la empresa D-Wave Systems lanza el nuevo computador cuántico D-Wave Two el cual es 500 000 veces superior a su antecesor D-Wave One, con un poder de cálculo de 439 cúbits. Realmente el D-Wave Two tuvo graves problemas finalmente, dado que no tenía las mejoras de procesamiento teóricas frente al D-Wave One.^[8]​ Este fue comparado con un computador basado en el microprocesador Intel Xeon E5-2690 a 2.9 GHz, teniendo en cuenta que lo obteniendo, es decir, el resultado en promedio de 4000 veces superior.^[9]​

En 2016, Intel trabaja en el dominio del silicio por el primer ordenador cuántico^[10]​

En mayo de 2017, IBM presenta un nuevo procesador cuántico comercial, el más potente hasta la fecha^[11]​ de 17 cúbits.^[12]​

2019 - Primer ordenador cuántico para uso comercial

En el CES de 2019, IBM presentó el IBM Q System One, el primer ordenador cuántico para uso comercial. En el mismo se combina tanto la computación cuántica como "tradicional" para ofrecer un sistema de 20 qubits para su utilización en investigaciones y grandes cálculos.[3]

El 18 de septiembre, IBM anunció que lanzará pronto su decimocuarto ordenador cuántico de 53 qubits, el más grande y potente de forma comercial hasta la fecha.^[13]​

El 20 de septiembre, el Financial Times publicó por primera vez "Google afirma haber alcanzado la supremacía cuántica".^[14]​

Véase también

• Computación basada en ADN
• Criptografía cuántica
• Electrónica molecular
• Entrelazamiento cuántico
• Fotónica
• Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA)
• Simulador cuántico universal
• Teleportación cuántica

Notas y referencias

1. «La informática cuántica puede romper la seguridad de Internet y hacerlo inservible.». La Vanguardia. 
2. Con la salvedad de que una máquina de Turing tiene memoria infinita.
3. Julsgaard, B., Sherson, J., Cirac, J. I., Fiurášek, J., & Polzik, E. S. (2004). «Experimental demonstration of quantum memory for light». Nature 432 (7016): 482-6. 
4. Lloyd, Seth (1996). «Universal Quantum Simulators». Science 273: 1073-1078. 
5. Julsgaard, Seth (2004). «Experimental demonstration of quantum memory for light». Nature 432 (7016): 482-6. 
6. World’s first commercial quantum computer sold to Lockheed Martin, 27 de mayo de 2011
7. IBM shows off quantum computing advances, says practical qubit computers are close
8. [1]
9. computer finally proves its faster than a conventional PC, but only just
10. http://www.technologyreview.es/informatica/52772/intel-apuesta-por-su-dominio-del-silicio-en-la/
11. «Desarrollan primera memoria cuántica». Consultado el 11 de octubre de 2017. 
12. . Archivado desde el original el 11 de octubre de 2017. Consultado el 11 de octubre de 2017. 
13. «La nueva computadora cuántica de 53 qubits de IBM es la máquina más poderosa que puede usar». 
14. [2],Financial times , Sept 2019

Bibliografía

• Ordenador cuántico universal y la tesis de Church-Turing
  • Deutsch, D. "Quantum Theory, the Church-Turing Principle, and the Universal Quantum Computer" Proc. Roy. Soc. Lond. A400 (1985) pp. 97-117.

• Uso de computadoras cuánticas para simular sistemas cuánticos
  • Feynman, R. P. "Simulating Physics with Computers" International Journal of Theoretical Physics, Vol. 21 (1982) pp. 467-488.

• Computación Cuántica e Información Cuántica
  • Nielsen, M. y Chuang, I. "Quantum Computation and Quantum Information" Cambridge University Press (September, 2000), ISBN 0-521-63503-9.

Bibliografía complementaria

• Agustín Rayo, «Computación cuántica», Investigación y Ciencia, 405, junio de 2010, págs. 92-93.
• Mastriani, Mario (4 de septiembre de 2014). Memorias matriciales correlacionadas cuánticas, simples y mejoradas: una propuesta para su estudio y simulación sobre GPGPU. p. 268. Consultado el 12 de septiembre de 2014. 
• Gershenfeld, Neil, and Isaac L. Chuang. "Quantum computing with molecules." Scientific American 278.6 (1998): 66-71.
• Gershon, Talia. (2018). Quantum Computing Expert Explains One Concept in 5 Levels of Difficulty . 2021, de WIRED.

Enlaces externos

• Frecuencias Cuánticas..

• Referencias generales
  • Escrito por Sergi Baila
  • Epistemowikia
  • Qubit.org (Centre for Quantum Computation) (en inglés)
  • Institute for Quantum Computing (en inglés)
  • Grupo de Información y Computación Cuántica el 22 de mayo de 2010 en Wayback Machine. de la Universidad Politécnica de Madrid.
  • Computación, Información y Criptografía Cuántica en la Comunidad de Madrid (QUITEMAD)
  • (en inglés)
  • (Wiki sobre Computación Cuántica) (en inglés)
  • Artículos sobre física cuántica (libre acceso) (en inglés)
  • El ordenador Insuperable Artículo divulgativo de David Deutsch.
  • Informática Cuántica el 29 de junio de 2012 en Wayback Machine. Historia, Modelos y Algoritmos.
  • La Nación: Qubit x Qubit
  • La Nación: Por qué Google y el Pentágono quieren computadoras cuánticas
  • La Nación: Microsoft apuesta a que la computación cuántica sea el próximo gran salto
  • Quantum Computing Expert Explains One Concept in 5 Levels of Difficulty.
• Compañías que desarrollan computadoras cuánticas
  • D-Wave Systems, Vancouver, BC, Canada
• Patentes relacionadas con la computación cuántica
  • Algunas patentes concedidas relacionadas con la computación cuántica
  • Algunas patentes publicadas relacionadas con la computación cuántica

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