¿La computadora cuántica como clave del mundo cuántico?
Después de leer la primera oración, probablemente muchas personas cerraron esta página con miedo y prisa. Sin embargo, aquellos que tienen un hambre de conocimiento un poco mayor y no tienen miedo de ensuciar sus ganglios cerebrales con un poco de esfuerzo mental, los invito a seguir leyendo.
El mundo de la física cuántica es un lugar donde ocurren fenómenos tan extraños y abstractos que la mayoría de la gente los evita. Bueno, nadie dijo que todo en nuestro universo es simple y explicable. Sin embargo, vale la pena tener en cuenta que todo lo que nos rodea, y nosotros a nivel atómico, está construido y funciona según las reglas de este extraño mundo de la mecánica cuántica.
Además de ser extraño e incomprensible, también se basa en la teoría de la probabilidad. La mayoría de las cosas en mecánica cuántica, como la posición de un electrón en el espacio en la órbita de un átomo, solo se pueden determinar con cierta probabilidad. Esto, a su vez, lleva a la conclusión de que dicho electrón puede estar en dos lugares a la vez, con cierta probabilidad. Para hacerlo aún más extraño, un electrón, que imaginamos como una micropartícula, puede actuar simultáneamente como un objeto puntual, por ejemplo, una bala disparada desde un arma, y como una onda que se propaga por el espacio, como las ondas en el agua detrás de una piedra. es arrojado en él, y todo depende de si observamos (medimos) o no. Cuál es el famoso experimento de Young.
Para descubrir por qué esto es así, el Premio Nobel le espera. Nadie ha descubierto realmente todos los secretos del mundo cuántico, ni siquiera Albert Einstein. Por si fuera poco, existe el fenómeno del entrelazamiento cuántico en la mecánica cuántica. En este fenómeno, dos partículas, por ejemplo nuestros electrones, se comportan exactamente igual como se puede decir, tienen la misma información, teóricamente espaciadas a cualquier distancia. Cuál es la base teórica de una teletransportación de la que creo que todo el mundo ha oído hablar. Este fenómeno también se aplica al funcionamiento de las computadoras cuánticas.
A continuación se muestra una computadora cuántica IBM Q en CES 2020
Computadora cuántica: ¿de qué se trata?
Bueno, a la orilla, porque si a alguien le puede interesar, y espero que al menos un poquito en tu imaginación, el resto probablemente ya se esté quedando dormido. En una computadora clásica, el papel de portador de información lo desempeña un bit, que puede tomar dos valores 1 y 0. En una computadora cuántica, el portador de información es un qubit, es decir, un bit cuántico. Sin embargo, no se parece en nada a un bit ordinario, porque la física cuántica es responsable de su funcionamiento. Físicamente, un qubit puede representarse mediante cualquier sistema cuántico con dos estados base diferentes, como un espín electrónico. Un electrón puede girar hacia abajo o hacia arriba, lo que podemos imaginar como esferas girando alrededor de su eje y que pueden girar hacia la izquierda o hacia la derecha. El qubit es una superposición de cero y uno, lo que significa que está en el estado cero con cierta probabilidad y en el estado uno con cierta probabilidad.
Dichos qubits se combinan en registros cuánticos más grandes, en los que se pueden realizar cálculos más complejos. Los datos de estos registros son luego procesados por puertas cuánticas especiales, creando los llamados circuitos cuánticos. El primer problema que debe superarse para que surja una computadora de este tipo es la capacidad de medir su estado, es decir, la información que contiene. La medición en el mundo cuántico afecta el estado del sistema, como en el experimento de Young, y cambia su superposición. Para superar esto, se utiliza el entrelazamiento cuántico ya mencionado, donde la medición de una partícula no destruye la superposición de la otra.
Sin embargo, el entrelazamiento cuántico es muy difícil de obtener. Esto requiere un aislamiento absoluto de dichos sistemas de las condiciones externas, así como temperaturas cercanas al cero absoluto, es decir, -273 grados Celsius. Es por eso que las estructuras de computadoras cuánticas de aspecto tan extraño, que son refrigeradores estructuralmente muy complejos en los que se colocan circuitos cuánticos. Además, el fenómeno de la decoherencia, es decir, la pérdida de información en el qubit como resultado de la interacción con el entorno, también se interpone. Lo que es peor, el problema empeora a medida que aumenta el número de qubits en un registro cuántico y, en última instancia, su tamaño determina las capacidades informáticas de dicha computadora. Los errores que todo esto provoca requieren que se repita muchas veces y derivar el medio de ello.
A continuación se muestra IBM 7. Esta es una computadora cuántica de siete qubits que IBM usó en 2017 para trabajar en la estructura molecular del hidruro de berilio (BeH2).
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Hablando de las posibilidades de las computadoras cuánticas, ¿qué tienen realmente para ofrecernos? Bueno, una computadora clásica realiza cálculos secuencialmente uno tras otro. La computadora cuántica, por otro lado, realiza un número mucho mayor de cálculos en un solo paso, lo que aumenta significativamente la velocidad de cálculo. Mientras que dos bits de información pueden almacenar uno de cuatro valores a la vezdos qubits pueden almacenar todos cuatro valores a la vez. Con el número de qubits, la cantidad de información aumenta exponencialmente 2 ^ n (dos elevado a la enésima potencia), donde n es el número de qubits. A trescientos qubits, alcanzamos un valor mayor que el número de átomos en el universo (!).
Otro problema es la creación de algoritmos y software para dicha computadora. Debido a las grandes posibilidades de cálculos simultáneos, este proceso puede incluso considerarse agotador. Hasta el momento se han desarrollado varios algoritmos para computadoras cuánticas, el más famoso de los cuales es el algoritmo de Shor de 1994, que consiste en descomponer grandes números en números primos, que es la base del sistema criptográfico RSA. La ejecución de este algoritmo en una computadora cuántica permitiría descifrar dichos datos muy rápidamente, lo que llevaría varios cientos de años de computación para las computadoras convencionales. El segundo también conocido es el algoritmo Grover, desarrollado en 1996, que permite búsquedas en bases de datos muy rápidas.
¿Qué depara el futuro de las computadoras cuánticas?
Los científicos de diversas empresas y laboratorios construyen circuitos cuánticos utilizando diversas tecnologías y utilizando diversos fenómenos y descubrimientos en el campo de la física cuántica. Los problemas que tienen que resolver no lo son, sin embargo, y probablemente no serán triviales durante mucho tiempo. Empresas como IBM, Google, Microsoft, Intel, Amazon, IonQ, Quantum Circuits, Rigetti Computing y recientemente incluso Honeywell están participando en la carrera cuántica. IBM incluso ha abierto sus puertas para que su software y computadoras cuánticas estén disponibles a través de la nube. Las dos computadoras más grandes pertenecen actualmente a IBM y Goolge. Ambos contienen 53 qubits, lo que acerca a estas empresas a la supremacía cuántica, es decir, logrando un potencial informático que supera a las supercomputadoras más grandes que existen actualmente. Los científicos de Nature estiman que el tiempo que les toma a las supercomputadoras hacer los mismos cálculos que hará la computadora cuántica de 53 qubit en 200 segundos sería de 10,000 años, aunque IBM dice que tomaría alrededor de 2.5 días, que es aproximadamente 1,000 veces más rápido.
La empresa D-Wave, cuyos circuitos cuánticos ya alcanzan el vertiginoso valor de 2000 qubits, es un tema polémico en el mundo de las computadoras cuánticas. Sin embargo, sus unidades están optimizadas para un campo estrecho de la informática y muchos científicos no las consideran computadoras cuánticas de uso general.
Abajo, una unidad de cálculo de la computadora cuántica D-Wave que contiene 2000 qubits.
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Entonces, ¿qué nos traerá el futuro cuántico? Además de romper los sistemas criptográficos existentes, las computadoras cuánticas se pueden utilizar para construir nuevos cifrados basados en los principios de la mecánica cuántica. Esta vez serían irrompibles, porque requeriría derrocar los principios de toda la física cuántica. Lo que distingue a las computadoras cuánticas es la capacidad de realizar cálculos en campos que se basan en la física cuántica en su estructura. Esto se aplica, por ejemplo, a la investigación de nuevos fármacos y materiales, que para las computadoras clásicas es una tarea muy tediosa y prolongada. La mencionada teletransportación, o al menos el envío de información a largas distancias de esta forma rápida, también puede ser el comienzo de la era de la nueva Internet, que hoy no conocemos. Quizás, como lo presentan los creadores de la serie “Devs”, algún día seremos capaces de crear en los ordenadores cuánticos una representación fiel de toda la realidad en la que vivimos. ¿O tal vez ya estamos en tal simulación? https://www.youtube.com/watch?v=Fp9LMsI6uJ8
