Por lo expuesto hasta ahora, parece ser, que D-Wave no tiene ordenadores cuánticos completos, y que IBM y otras empresas que investigan sobre este campo, aunque hacen demostraciones sobre ordenadores cuánticos, algoritmos cuánticos, y qubits, realmente todavía no saben al 100% que hardware debería llevar un ordenador de este tipo, y tan sólo trabajan en híbridos entre ordenadores cuánticos y clásicos. Los ordenadores cuánticos supondrán una revolución en campos como la Criptografía, la Astronomía, o incluso nuestra vida diaria.
A pesar de la actual inmadurez de los ordenadores cuánticos, los medios dedicados, tanto humanos como técnicos, presagian, desde mi punto de vista, que dentro de poco tiempo disfrutemos de estos prodigios, los cuales dejarán de parecer salidos de la ciencia-ficción, para ser un futuro próximo, apasionante y vertiginoso.
D-Wave D-Wave Systems es una empresa que fabrica ordenadores “cuánticos” con 128 cubits y recibe financiación de empresas como Google. Presume de ser la primera en fabricar un ordenador cuántico para uso comercial.
Geordie Rose, cofundador de D-Wave,
junto al D-Wave One
Esta presenta el D-Wave One como un sistema de cómputo de alto rendimiento diseñado para resolver los problemas industriales de las compañías más importantes, gobiernos y universidades. Su procesador de 128 qubit se encuentra dentro de un sistema de criogenia, que a su vez está dentro de una habitación de 10 metros cuadrados con blindaje. Scott Aaronson (profesor del MIT) es el crítico oficial de los logros de este empresa. D-Wave Systems ha publicado artículos en revistas internacionales tan prestigiosas como Nature, pero no ha logrado demostrar que sus ordenadores cuánticos logren el entrelazamiento entre sus qubits, la demostración fehaciente de que un ordenador cuántico efectivamente lo es. D-Wave One es el primer ordenador comercializado como cuántico de 128 qubits y que Geordie Rose (cofundador de D-Wave), afirma que es efectivamente un ordenador cuántico adiabático. Para Scott esto no está del todo claro. Mohammad Amin (líder del artículo de D-Wave del año pasado en Nature que demostraba el efecto túnel en un algoritmo cuántico con 8 cubits), a preguntas de Scott, ha confesado que no tienen, por ahora, prueba experimental alguna, de que hubiera entrelazamiento entre estos qubits.
Scott confiesa que muchos expertos pensaban que D-Wave afirmaba que, aunque su ordenador “cuántico” no presente entrelazamiento entre qubits durante el cómputo (la decoherencia cuántica provoca que sus qubits se desentrelacen antes del inicio del algoritmo), este podía resolver problemas exponencialmente más rápido que un ordenador clásico. Sin embargo, Scott ha descubierto que esto no es lo que afirma D-Wave. Ellos creen que su sistema sistema pierde la decoherencia de forma casi inmediata en una parte del proceso computacional, pero no en su totalidad (se producen algunos entrelazamientos durante las etapas intermedias del algoritmo). Sin embargo, algunos expertos son escépticos respecto a esto. Mientras D-Wave no demuestre que existe entrelazamiento entre los qubits durante la ejecución de su algoritmo todos sus logros seguirán puestos en duda por los expertos. Nadie entiende por qué centra sus esfuerzos en incrementar el número de qubits en lugar de demostrar el entrelazamiento, aunque sea parcial, durante el cálculo. Scott recomienda a D-Wave que se centre en este asunto.
Algunos afirman que no importa si los sistemas de D-Wave funcionan de forma totalmente cuántica o no lo hacen, o si utilizan la coherencia cuántica o no, mientras resuelvan problemas prácticos de manera más rápida que un ordenador clásico. Universidades como la de Harvard que los utilizan para sus investigaciones, o empresas tan importantes como la aeronáutica Lockheed Martin, que le compró una unidad por 10 millones de dolares, parecen opinar de esta forma. IBM El gigante de la computación clásica, es una de las empresas más activas en la investigación y desarrollo de ordenadores cuánticos. Esta ya anunció en 2012, que había conseguido crear un chip con tres qubits lo suficientemente estable como para permitir que la informática cuántica llegue a las oficinas y hogares en un plazo cercano a los 10 años.
Este es lo suficientemente estable como para mantener su estado durante 10 microsegundos y realiza la operación lógica NOT con una tasa de éxito del 95%, según IBM. Si bien expresado así no parece gran cosa, lo cierto es que la estabilidad conseguida por IBM es muy superior a cualquier otro intento realizado con anterioridad, y permite utilizar esta tecnología en la construcción de un ordenador práctico. Para tener idea de lo que significan 3 qubits, basta con reproducir lo explicado por la empresa: con 250 qubits se pueden almacenar más bits de información de los que hay en todos los átomos del universo, y realizar operaciones lógicas con todos esos datos, en paralelo, de forma prácticamente instantánea.
El tiempo de estabilidad conseguido por IBM es lo suficientemente largo como para que los datos mantengan su integridad mecánico-cuántica durante el funcionamiento de un ordenador de este tipo. Un ordenador construido con estos chips sería una bestial máquina de factorizar números, que acabaría con los esquemas de seguridad utilizados en la actualidad. Cuando estén disponibles (IBM espera que en 10 o 12 años) habrá que desarrollar sistemas más complejos, que no se basen en la dificultad que presenta la factorización de números grandes, pero será un pequeño precio a pagar a cambio del poder de procesamiento que obtendremos de estas máquinas. Mientras tanto, en IBM están trabajando en el desarrollo de las interfaces necesarias para que estos ordenadores puedan conectarse a los equipos actuales, que harán las veces de “anfitrión” proporcionando una interfaz “amigable” que nos permitan interactuar con ellas.
Un ordenador cuántico sólo puede funcionar si la información existe el tiempo suficiente para que sea procesada. La llamada coherencia del qubit asegura que la información cuántica permanezca intacta, pero los investigadores de la Fundación para la Investigación Fundamental de la Materia (FOM) y la Universidad de Leiden, han descubierto ahora que la coherencia desaparece espontáneamente con el paso del tiempo, y por lo tanto, también la información almacenada. Esto podría presentar un problema considerable para el desarrollo de un ordenador de este tipo. El concepto de la computación cuántica se basa en el hecho de que un sistema de mecánica cuántica (un electrón, un átomo o incluso un sistema más grande como un bit cuántico superconductor) puede existir simultáneamente en dos estados. Normalmente, uno de los dos estados desaparece en cuanto el sistema entra en contacto con el mundo exterior. La cohesión desaparece entonces como resultado del proceso denominado decoherencia, y con él la información almacenada en el bit cuántico.
Un bit cuántico suele consistir en una gran cantidad de partículas, con un número inevitablemente grande de posibilidades de ser influenciado por el entorno y así someterse a la descohesión. Jasper van Wezel, Jeroen van den Brink (del FOM) y Jan Zaanen, todos adscritos al Instituto Lorentz de la Universidad de Leiden, han investigado si es posible mantener la coherencia de un qubit aislado.
Imagen desde un microscopio electrónico de un qubit (Foto: Delft University of Technology)
Para su sorpresa, han descubierto que la coherencia tiende a desaparecer espontáneamente, incluso sin influencias externas. El proceso de degradación está ligado a la manifestación espontánea de la ruptura de la simetría en la mecánica cuántica. En la física clásica, un ejemplo equivalente de lo anterior es el proceso de cristalización espontánea en una solución. En una cierta posición se forma un cristal, y como resultado se rompe la estructura fluida. Según las predicciones de los investigadores, la coherencia, concepto fundamental para los qubits, desaparecerá después de un segundo. Es más, cuanto más pequeño sea el qubit, más deprisa ocurre este proceso. Todo esto podría imponer una limitación fundamental en el desarrollo de los qubits. La investigación experimental tendrá que demostrar ahora si este fenómeno realmente ocurre.
Hablemos de la arquitectura de los ordenadores cuánticos. La arquitectura de un ordenador cuántico es similar a la de los ordenadores tradicionales, con peculiaridades de la computación cuántica, pero la lógica implementada en los dispositivos es lo más importante, y no su estructura física. Esta lógica no se basa en la Física clásica, sino que usa propiedades cuánticas.
Así, una hilera de átomos de hidrógeno podría alojar qubits igual de bien que alojan bits una serie de condensadores. Un átomo en estado fundamental electrónico (el menor estado discreto de energía) podría ser la codificación de un 0, y en estado excitado un 1. Pero para que tal sistema cuántico pueda funcionar como un ordenador, no se debe limitar a almacenar qubits, sino que quien lo maneje ha de ser capaz de introducir información en el sistema, ha de procesar tal información mediante manipulaciones lógicas simples, y ha de poder devolver la información procesada: en conclusión han de poder leer, escribir y efectuar operaciones aritméticas.
Así, los procesos se realizarían de la siguiente manera:
Escritura. Aplicado a átomos de hidrógeno, el método consiste en lo siguiente: imaginemos un átomo de hidrógeno en su estado fundamental,en el que posee una cantidad de energía E0. Para escribir un bit 0 en este átomo no se actúa físicamente sobre él. Para registrar un 1 en él, excitamos el átomo hasta un nivel energético superior E1. Esto se consigue bañándolo en luz láser compuesta por fotones cuya energía sea igual a la diferencia entre E1 y E0. Si el haz láser posee la intensidad adecuada y se aplica durante el tiempo necesario, el átomo pasa gradualmente desde el estado fundamental al excitado,al absorber el electrón del átomo un fotón. Si el átomo se encuentra ya en el estado excitado, el mismo pulso lumínico provocará que emita un fotón y regrese al estado fundamental. Desde el punto de vista del almacenamiento de información, el pulso le dice al átomo que invierta el estado de su bit(y no qubit, porque sólo puede estar, en este caso de intensidad y frecuencias adecuadas, en uno sólo de los estados). Ahora si aplicamos el láser de la energía precisa para estos dos niveles, pero se hace en la mitad de tiempo necesario para llevar al átomo desde el estado 0 al 1, el átomo se hallará en un estado que será la superposición de la onda correspondiente al 0 y de la onda correspondiente al 1: es el qubit
Lectura. En un sistema cuántico sería parecida a la escritura:se empuja al átomo hasta un estado energético todavía más elevado y menos estable, E2. Esto lo hacemos sometiendo al átomo a luz láser de energía igual a la diferencia entre E1 y E2; si el átomo se encuentra en E1, se excitará hasta E2, pero retornará rápidamente a E1 emitiendo un fotón. Si el átomo se encuentra ya en el estado fundamental, no ocurre nada. Si se halla en el estado superpuesto de 0 y 1 ,tiene iguales probabilidades de emitir un fotón, revelando que es un 1, como de no emitirlo, indicando que es un 0.
Corrección de errores. Es un aspecto que debe ser tomado muy en cuenta en el diseño de una arquitectura cuántica. Los distintos sistemas que podrían utilizarse para el registro y procesamiento de información, son sensibles al ruido (perturbaciones del medio) que puede invertir bits de modo aleatorio. Los métodos clásicos de corrección de errores, (dispositivo flip-flop) entrañan la medición de bits para ver si son erróneos, lo que en un ordenador cuántico provocaría decoherencia. A tenor de esto, se esta desarrollando toda una teoría sobre posibles alternativas para corregir estos defectos, la corrección de error cuántico.
Sabemos que si un ordenador clásico posee puertas lógicas (esto es, circuitos que realizan operaciones elementales), como la AND, la NOT y la OR, entonces puede llevar a cabo cualquier operación lógico-aritmética. Pues bien, a un ordenador cuántico se le debería pedir lo mismo. De hecho, operaciones de lógica cuántica elemental se han demostrado posibles en experimentos, durante los últimos 50 años. Por ejemplo, la operación NOT no es más que una transición simulada entre dos niveles de energía E1 y E0; la operación XOR se puede identificar como una transición controlada en un sistema cuántico de cuatro niveles. Sin embargo, en un ordenador cuántico real, el sistema debe ser suficientemente controlable para permitir la implementación de puertas lógico-cuánticas (la versión cuántica de las puertas lógicas actuales), y es muy complicado almacenar varios qubits de información en un sistema cuántico, que permitan su manipulación. Los dispositivos cuánticos se fabricaban sobre microchips de estado sólido (siendo ésta la progresión lógica de las técnicas de microfabricación que han permitido incrementar la potencia de los actuales ordenadores). Sin embargo las operaciones cuánticas presentan complicados efectos que ya hemos descrito. Es muy difícil mantener un sistema cuántico realmente aislado del medio, y el acoplamiento a este medio produce la temida decoherencia, que destruye la superposición de los estados ya construidos.
Por ejemplo, en estos dispositivos el medio sería el substrato sobre el que se asienta el dispositivo cuántico, y el acoplamiento a este substrato es tan fuerte que produce tiempos de decoherencia típicos del orden del picosegundo. Y claro, esto no es suficiente, pues aunque tengamos dos estados diferentes, que sean estables, precisamos también que superposiciones de estos dos estados conserven su entidad durante tiempos E1 y E0 comparables, y es aquí donde el tiempo de escala de decoherencia es tan corto. Por todo esto, el logro de IBM, que comentaremos en una entrada posterior, es tan importante.
Para realizar una implementación cuántica correcta, se deben cumplir cinco preceptos:
Es necesario un sistema de qubits.
Estos deben ser direccionables individualmente, interactuando entre si para formar compuertas lógicas de propósito general.
Se debe poder inicializar las compuertas.
Se debe tener la posibilidad de extraer los resultados computacionales.
Es necesario un tiempo de coherencia duradero.
Oskin et al proponen una arquitectura formada por una ALU cuántica, memoria cuántica, y un planificador dinámico.
ALU cuántica Sus funciones principales son la ejecución de operaciones cuánticas y la corrección de errores. Prepara los datos cuánticos antes de ejecutar cualquier compuerta lógica mediante la aplicación de varias transformaciones cuánticas básicas. La ALU realiza la tarea de corrección de errores mediante esta secuencia de operaciones, consumiendo este proceso estados auxiliares adicionales empleados para la verificación de paridad. Además, la ALU utiliza hardware especializado que provee estados elementales a fin de producir los estados auxiliares adicionales.
Memoria cuántica En el tipo de computadoras que tratamos, la memoria es un elemento vital. A fin de que su funcionamiento no de lugar a fallos, Oskin et al idearon una unidad especial situada en cada bando de memoria que se encarga de actualizarlo. Esta unidad actualiza periódicamente los bits individuales mediante algoritmos de detección y corrección de errores.
Tele transportadora de código La teletransportadora de código de memoria a ALU ofrece nuevos usos a la teletransportación cuántica convencional, proporcionando un mecanismo general para ejecutar operaciones de forma simultánea a la vez que se transportan los datos cuánticos. Esto se usa para corrección de errores en los codificadores de código de origen y destino. En ese momento. el emisor y el receptor ejecutan qubits lógicos equivalentes en la operación de teletransportación en cada terminal del par "enredado" (entangled).
Planificador dinámico Un procesador clásico dedicado, el elemento principal del planificador dinámico, fue propuesto por Oskin et al. Su funcionamiento comienza con la ejecución de un algoritmo de planificación dinámico, parte de operaciones cuánticas lógicas junto con construcciones clásicas de control de flujo y las traduce dinámicamente a operaciones individuales de qubits físicos. La definición de computadoras cuánticas con un mayor nivel de aceptación es la expuesta por Beth, acogida de forma positiva por la mayoría de la comunidad científica. Este la concibe como un sistema de circuitos cuánticos que actua en un espacio complejo 2n-dimensional de Hilbert, un espacio de estados. El circuito es una secuencia de conversiones unitarias seguido por una medición. Las conversiones, denominadas compuertas cuánticas, son controladas por un computador convencional. El espacio de estados de una computadora cuántica posee una estructura similar a aquella de los espacios de un vector Hermitian. Esto permite la superposición simultánea de estados básicos ortogonales (los cuales corresponden a estados clásicos "0" y "1") con posibilidad de interferencia constructiva y destructiva entre diferentes rutas de computación. Este principio permite el uso de los estados entrelazados.
Haremos un breve repaso a la historia de los ordenadores cuánticos, desde la primera idea hasta nuestros días.
Años 80 Empiezan a surgir las primeras teorías que apuntan 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 que trabajaba en el Argone National Laboratory en Illinois (EE.UU.). Teorizó un ordenador tradicional (máquina de Turing) operando con algunos principios de la mecánica cuántica.
1981-1982 Richard Feynman El Dr. Richard Feynman, físico del California Institute of Technology en California (EE.UU.) y ganador del premio Nobel en 1965 realizó una ponencia durante el “First Conference on the Physics of Computation” realizado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (EE.UU.) Su charla, bajo el título de “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 Este 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.
Años 90 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, 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 Qbit Investigadores de Los Álamos y el Instituto Tecnológico de Massachusets consiguen propagar el primer Qbit a través de una solución de aminoácidos. Supuso el primer paso para analizar la información que transporta un Qbit. Durante ese mismo año, nació la primera máquina de 2-Qbit, 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-Qbit 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, creó un computador cuántico de 5-Qbit 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-Qbit. Utilizando un resonador magnético nuclear se consiguen aplicar pulsos electromagnéticos y permite emular la codificación en bits de los computadores tradicionales.
Los físicos Isaac Chuang y Costantino Yannoni preparan un experimento de computación cuántica en IBM
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. 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 10 millones de dólares a Lockheed Martin, por la empresa D-Wave Systems, fundada en 1999. 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.
Pero antes de continuar, fijemos algunos conceptos. En física, el término cuanto o cuantio (del latín Quantum, plural Quanta, que representa una cantidad de algo) denotaba en la física cuántica primitiva tanto el valor mínimo que puede tomar una determinada magnitud en un sistema físico, como la mínima variación posible de este parámetro al pasar de un estado discreto a otro. Una determinada magnitud está cuantizada según el valor de cuanto. Un ejemplo del modo en que algunas cantidades relevantes de un sistema físico están cuantizadas lo encontramos en el caso de la carga eléctrica de un cuerpo, que sólo puede tomar un valor que sea un múltiplo entero de la carga del electrón.
Un qubit o cubit (del inglés quantum bit, bit cuántico) es un sistema cuántico con dos estados propios y que puede ser manipulado arbitrariamente. Es decir, se trata de un sistema que sólo puede ser descrito correctamente mediante la mecánica cuántica, y en que solamente tiene dos estados bien distinguibles mediante medidas. También se entiende por qubit la información que contiene ese sistema cuántico de dos estados posibles. En esta acepción, el qubit 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. Es el análogo cuántico del bit en informática. Un qubit es difícil de conseguir, para que pueda funcionar tiene que mantener su estado cuántico y su coherencia cuántica. Para cumplir estas condiciones el qubit tiene que estar completamente aislado de todo, no puede ser influido ni por campos magnéticos, polvo, movimiento, nada. Si algo influye en el qubit este pierde su estado de coherencia y no puede funcionar, ahora para extraer información de él se necesita interactuar con él. Entonces la computación cuántica funciona de la siguiente manera: se da por ejemplo una operación para que el qubit lo calcule, se le aísla de todo y una vez el qubit resuelva la operación se interactúa con él y se obtiene el resultado. No antes porque sino el estado de superposición se rompe y se determina en un sólo estado.
La superposición o coherencia cuántica se da cuando un objeto "posee simultáneamente" dos o más valores de una cantidad observable (por ej. la posición o la energía de una partícula).
La superposición cuántica es un principio fundamental de la mecánica cuántica que sostiene que un sistema físico tal como un electrón, existe en parte en todos sus teóricos posibles estados (o la configuración de sus propiedades) de forma simultánea, pero, cuando se mide, da un resultado que corresponde a sólo una de las posibles configuraciones (como se describe en la interpretación de la mecánica cuántica).
El experimento de la doble rendija, es el más clásico sobre la coherencia cuántica.
Otro concepto fundamental para entender la computación cuántica es el entrelazamiento. Tal es así, que si en un ordenador cuántico, no se produce entrelazamiento, no hablamos de un ordenador cuántico "auténtico". Este es un fenómeno cuántico, en el cual los estados cuánticos de dos o más objetos se deben describir haciendo referencia a los estados cuánticos de todos los objetos del sistema, incluso si los objetos están separados espacialmente. Esto conlleva interacciones entre las propiedades físicas observables. Por ejemplo, es posible preparar (enlazar) dos partículas en un solo estado cuántico de forma que cuando se observa que una gira hacia arriba la otra siempre girará hacia abajo, pese a la imposibilidad de predecir, según los postulados de la mecánica cuántica, qué estado cuántico se observará.
La decoherencia cuántica es el término aceptado y utilizado en mecánica cuántica para explicar como un estado cuántico entrelazado puede dar lugar a un estado físico clásico (no entrelazado). Es decir, como un sistema físico, bajo ciertas condiciones específicas, deja de exhibir efectos cuánticos y pasa a exhibir un comportamiento típicamente clásico, sin los efectos típicos de la mecánica cuántica.
La trampa de iones, concepto propuesto por P.Zoller y J.I.Cirac, consiste en una cadena lineal de iones (es decir, átomos ó moléculas con carga eléctrica no nula) atrapados por una configuración conveniente de campos electromagnéticos, encerrados en un recipiente aislado de campos electromagnéticos espúreos (distintos de los que permiten atrapar a los iones), y en un ambiente de alto vacío para suprimir el choque de los iones con otros átomos sueltos. Cada uno de los iones almacena un qubit de información, correspondiéndose los valores de 0 y 1 con dos órbitas distintas de uno de los electrones del ion correspondiente.Las operaciones lógicas entre distintos qubits se realizan enfocando luz láser sobre los iones lo que hace que cambien su órbita. Para leer el resultado se iluminan con luz de una determinada frecuencia todos los iones, y según en la órbita en la que se encuentre cada uno, emitirá luz o no, lo que permite conocer el valor del correspondiente qubit.
No es un secreto que, se vislumbran los límites de la fabricación del hardware tal y como la conocemos ahora. Hasta ahora, los avances en la velocidad de proceso y de cálculo se han conseguido con la mayor miniaturización. Más transistores en menos espacio ha sido la fórmula. Pero, no podemos hacer los chips infinitamente pequeños, ya que superando cierto límite, los electrones atraviesan los canales por donde circulan, provocando interferencias y por tanto mal funcionamiento. Esto se conoce como efecto túnel. Y, cuando lleguemos a ese límite, ¿qué haremos?. Será inevitable un cambio de rumbo, ya que no progresar, no es una opción. Este cambio no es otro que los ordenadores cuánticos.
Esfera de Bloch, representación de un qubit
La idea de la computación cuántica no es algo nuevo. Surge en 1981, cuando Paul Benioff expuso su teoría para aprovechar las leyes cuánticas en el entorno de la computación. En lugar 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 ó 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 qubits. El número de qubits indica la cantidad de bits que pueden estar en superposición. 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. Como cabe esperar, el número de operaciones es exponencial con respecto al número de qubits.
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 en coma flotante por segundo), cuando actualmente las computadoras trabajan en el orden de gigaflops (miles de millones de operaciones). Es fácil de intuir las repercusiones que tal capacidad de cálculo, tendrían en la criptografía.
Con lo dicho podemos concluir de una forma somera, que un ordenador cuántico es un ordenador que utiliza la mecánica cuántica para resolver problemas.
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