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.
- 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.
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.
Fuentes
Arquitectura cuántica
Ordenadores cuánticos: el futuro de la informática está más cerca
AmI - Inteligencia ambiental
El ordenador cuántico
Arquitectura cuántica
Ordenadores cuánticos
