INTRODUCCIÓN
COMPUTACIÓN CUANTICA
La computación cuántica es un paradigma de computación distinto al de la computación clásica. Se basa en el uso de cúbits en lugar de bits, y da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos.
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,1 un computador cuántico equivale a una máquina de Turing cuántica.
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 denanómetros, 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 los suficientemente delgadas; de esta manera la señal puede pasar por canales donde no debería circular. Por ello, el chip deja de funcionar correctamente.
En consecuencia, la computación digital tradicional no tardaría en llegar a su límite, puesto que ya se ha llegado a escalas de sólo algunas decenas de nanómetros. Surge entonces la necesidad de descubrir nuevas tecnologías y es ahí donde la computación cuántica entra en escena.
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 sólo 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 0 y 1 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 sólo 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.
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.
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.
Programas de computación
Algoritmos cuánticos
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.
Modelos
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.
Paradigma
PARADIGMA:
El concepto de paradigma se utiliza comúnmente como sinónimo de “ejemplo” o para hacer referencia en caso de algo que se toma como “modelo". En principio se tenía en cuenta en el campo, tema, ámbito, entre dos personalidades u otros..., gramatical (para definir su uso en un cierto contexto) y se valoraba desde la retórica (para hacer mención a una parábola o fábula). A partir de la década de 1960, los alcances de la noción se ampliaron y paradigma comenzó a ser un término común en el vocabulario científico y en expresiones etimológicas cuando se hacía necesario hablar de modelos de conocimiento aceptados por las comunidades científica.
CÚBIT:
Un cúbit o bit cuántico (del inglés quantum bit o qubit) es un sistema cuántico con dos estados propios y que puede ser manipulado arbitrariamente. Sólo puede ser descrito correctamente mediante la mecánica cuántica, y solamente tiene dos estados bien distinguibles mediante medidas físicas. También se entiende por cúbit la información que contiene ese sistema cuántico de dos estados posibles. En esta acepción, el cúbit es la unidad mínima y por lo tanto constitutiva de la teoría de la información cuántica. Es un concepto fundamental para la computación cuántica y para la criptografía cuántica, el análogo cuántico del bit en informática.
Su importancia radica en que la cantidad de información contenida en un cúbit, y, en particular, la forma en que esta información puede ser manipulada, es fundamental y cualitativamente diferente de un bit clásico. Hay operaciones lógicas, por ejemplo, que son posibles en un cúbit y no en un bit.3
El concepto de cúbit es abstracto y no lleva asociado un sistema físico concreto. En la práctica, se han preparado diferentes sistemas físicos que, en ciertas condiciones, pueden describirse como cúbits o conjuntos de cúbits. Los sistemas pueden ser de tamaño macroscópico, como un circuito superconductor, o microscópico, como un conjunto de iones suspendidos mediante campos eléctricos.
Matemáticamente, un cúbit puede describirse como un vector de módulo unidad en un espacio vectorial complejo bidimensional. Los dos estados básicos de un cúbit son |0⟩{%5Cdisplaystyle |0%5Crangle }
Un bit puede contener un valor (0 ó 1), y un cúbit contiene ambos valores (0 y 1).
El término cúbit se atribuye a un artículo de Benjamin Schumacher que describía una forma de comprimir la información en un estado y de almacenar la información en el número más pequeño de estados, que ahora se conoce como compresión de Schumacher.4 En el artículo, Schumacher indicó que el término se inventó como broma, por su semejanza fonética con /cubit/ (codo, en inglés), durante una conversación con William Wootters. Posteriormente, por analogía al cúbit, se denominó ebit a la unidad para cuantificarentrelazamiento cuántico, y qutrit al análogo del cúbit con tres, y no dos, estados cuánticos
ALGORITMO:
En matemáticas, lógica, ciencias de la computación y disciplinas relacionadas, un algoritmo (del latín, dixit algorithmus y este del griegoarithmos, que significa «número», quizá también con influencia del nombre del matemático persa Al-Juarismi)1 es un conjunto prescrito de instrucciones o reglas bien definidas, ordenadas y finitas que permiten llevar a cabo una actividad mediante pasos sucesivos que no generen dudas a quien deba hacer dicha actividad.2 Dados un estado inicial y una entrada, siguiendo los pasos sucesivos se llega a un estado final y se obtiene una solución. Los algoritmos son el objeto de estudio de la algoritmia.1
En la vida cotidiana, se emplean algoritmos frecuentemente para resolver problemas. Algunos ejemplos son los manuales de usuario, que muestran algoritmos para usar un aparato, o las instrucciones que recibe un trabajador de su patrón. Algunos ejemplos en matemáticason el algoritmo de multiplicación, para calcular el producto, el algoritmo de la división para calcular el cociente de dos números, elalgoritmo de Euclides para obtener el máximo común divisor de dos enteros positivos, o el método de Gauss para resolver un sistema de ecuaciones lineales.
En términos de programación, un algoritmo es una secuencia de pasos lógicos que permiten solucionar un problema. Los derechos de autor otorgan al propietario el derecho exclusivo sobre el uso de la obra, con algunas excepciones. Cuando alguien crea una obra original fija en un medio tangible, automáticamente se convierte en el propietario de los derechos de autor de dicha obra.
PARA QUE SIRVE
Por supuesto, la potencia de un computador cuántico permite pensar en usos más allá del correo electrónico o el procesamiento de textos.
CIO AMÉRICA LATINA | Por Elibeth Eduardo | @ely_e
Después de décadas de investigación, las primeras computadoras cuánticas ya están funcionando. La pregunta ahora es: ¿qué hacemos con ellas?
IBM y D-Wave están tratando de sacar provecho de sus costosas computadoras cuánticas mediante lacomercialización de servicios.
Ambos coinciden en que los ordenadores cuánticos son diferentes de los PC y no pueden utilizarse para ejecutar cualquier aplicación.
En su lugar, los sistemas cuánticos harán cosas que no son posibles en las computadoras actuales como, por ejemplo, descubrir nuevos fármacos y construir estructuras moleculares.
Del mismo modo – en teoría – las computadoras de hoy en día son buenas para encontrar respuestas analizando información dentro de conjuntos de datos existentes, pero las computadoras cuánticas lograrán obtener una gama más amplia de respuestas, calculando y asumiendo nuevos conjuntos de datos.
Primero, la velocidad
Las computadoras de Quantum pueden ser significativamente más rápidas y eventualmente podríanreemplazar a las computadoras y servidores actuales.
La computación cuántica es una forma de avanzar en la informática, ya que los sistemas actuales estánalcanzando sus límites físicos y estructurales.
Los avances han sido lentos pero los investigadores están descubriendo usos para las computadoras cuánticas que ya están operativas como el 2000Q de D-Wave (el cual tiene 2.000 qubits) y los sistemas de 5-qubit de IBM.
Ambos se basan en diferentes tecnologías, siendo el sistema de IBM mas complejo y avanzado en términos de tecnología.
El sistema de D-Wave es una forma más práctica y rápida para la computación cuántica, siendo (aún así) mucho más rápido que las PC actuales.
Los pioneros
Google, la NASA y la Asociación de Investigación Espacial de Universidades de Estados Unidos (USRA) son las primeras instituciones que están instalando el sistema D-Wave 2000Q en el Centro de Investigación Ames de la NASA para utilizarlo en inteligencia artificial y machine learning.
Las organizaciones esperan utilizar la computadora cuántica para la “optimización”, que puede derivar en la mejor solución posible a los problemas basados en una amplia gama de posibilidades.
La NASA ha utilizado computadoras cuánticas D-Wave para misiones de robótica en el espacio, mientras queGoogle lo ha utilizado para la búsqueda, etiquetado de imágenes y reconocimiento de voz.
Por otro lado, Volkswagen anunció el lunes que está utilizando el sistema de D-Wave para predecir los patrones de tráfico o los taxis en Beijing.
La empresa desarrolló un algoritmo que podría mejorar el flujo de taxis en la ciudad, lo cual reduciría el tiempo que se tardaría en ocupar un taxi. El estudio – que utilizó datos de muestra de 10.000 taxis de Beijing – también se centró en la comprensión del poder de un computador cuántico.
El programa oficial de software cuántico para optimizar el flujo de tráfico será mostrado por Volkswagen y D-Wave la próxima semana.
Para conquistar el mundo
D-Wave en última instancia, espera colocar disponible la potencia de su su computadora cuántica a través de la nube, al igual que ya lo ha anunciado IBM gracias a su programa Q para los servicios de computación cuántica pagada.
La computadora cuántica de IBM está dirigida a aplicaciones científicas como las ciencias de los materiales y la dinámica cuántica y está ligada al uso de algoritmos clásicos.
Por ejemplo, uno de los usos se refiere al algoritmo de Grover, que puede ayudar a encontrar respuestas de bases de datos no estructuradas mucho más rápido que las computadoras convencionales.
Pero la compañía también está buscando impulsar el servicio Q para el modelado financiero y económico. IBM tiene un servicio gratuito llamado Quantum Experience, por lo que investigadores y académicos pueden probar aplicaciones en la computadora cuántica de 5 qubits de la empresa a través de la nube.