Introducción
La computación cuántica surge de la convergencia de dos las teorías tan importantes como la cuántica y la computación. Consiste, básicamente, en reemplazar a los bits por los qubits. Lo cual trae ventaja puesto que un bit solo puede tomar dos valores y un qubit toma dos valores y además los toma a la vez. Por ello, existen mayores facilidades al momento de realizar operaciones al mismo tiempo. Con respecto al espacio de estado, cuando utilizamos los qubits estos espacios crecen exponencialmente, pero cuando utilizamos los bits, crece, de forma lineal.
La aplicabilidad de la computación cuántica depende de la posibilidad de desarrollar una computadora cuántica. Un ejemplo del inmenso poder de las computadoras cuánticas es el algoritmo cuántico para determinar si un número es primo. Una computadora actual tardaría miles de millones de años (dependiendo de cuán grande sea el número) en ejecutar tal algoritmo; a diferencia de una computadora cuántica a la que le tomaría tan sólo unos cuantos segundos el completar la tarea.
Origen
Con la necesidad de llevar la computación tradicional a un territorio atómico, nace la Computación Cuántica. Este hecho significa que la materia deja de obedecer a la física clásica, para ser dominada por un conjunto de leyes que describen el comportamiento de las partículas atómicas y subatómicas, la Mecánica Cuántica. La cual se encarga de describir aquellos fenómenos que, al parecer, intentan desafiar al sentido común. Dejando que el funcionamiento de la computación tradicional y el de la electrónica dejen de tener sentido.
Los estudios de la Computación Cuántica radicaron, por un lado, en 1981, por parte de Paul Benioff, surge la computadora cuántica de Benioff que es una idea que expone que la cinta de la máquina de Turing podría ser reemplazada por una serie de sistemas cuánticos. Es decir, que en lugar de trabajar con voltajes eléctricos sea a nivel de cuánto. Las ideas esenciales, que surgen después, de la computación cuántica surgieron de la mente de Paul.
Así también, con las interrogantes planteadas por Richard Freynman, a finales de los años sesenta sobre computabilidad se realizarían algunos cálculos más rápidamente en un ordenador cuántico, quién al trabajar en electrodinámica cuántica recibió el Premio Nobel de Física en 1965. Así también se dedicó al desarrollo de la nanotecnología, cabe señalar que en su juventud participó en el desarrollo de la bomba atómica en el proyecto Manhattan. En los años 1981 a 1982 realizó una charla que llevaba de título Simulating Physics With Computers y 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.
En 1985 David Deutsh, físico israelí 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. Durante los Años 90 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.
En 1993, Dan Simon, desde el departamento de investigación de Microsoft, 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). Charles Benett, 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.
En los años 1994 y 1995, Peter Shor, científico americano 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.
Durante el año 1996, Lov Grover inventó el algoritmo de búsqueda de datos que lleva su nombre. 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.
Concepto
Esta computación se basa en las interacciones a nivel atómico y tiene como elemento el bit cuántico. Un bit sólo puede tomar dos valores: 0 o 1 en la computación tradicional, 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 un 0 y un 1 a la vez. Eso permite que se puedan realizar varias operaciones al mismo tiempo, según el número de qubits (quantum bit).
El número de bits da a conocer la cantidad de bits que pueden estar superpuestos. Los bits habituales en el caso de tener una lista de tres bits, había ocho únicos valores posibles. Por el contrario, cuando tenemos una lista de tres qubits, la partícula admite más de ocho valores, pueden ser iguales o diferente, a la vez, estos se debe a la superposición cuántica. Entonces, los qubits no se pueden medir como los bits, en el sentido descrito por el postulado de la medida de la mecánica cuántica.
Por lo descrito en el párrafo anterior, se ve que la cantidad de operaciones sigue un modelo exponencial con respecto al número de qubits. En pocas palabras, un bit almacena dos estados, un qubit puede almacenar también esos dos estados pero, también puede almacenar una combinación de ambos. Por ejemplo, un computador cuántico de 30 qubits equivaldría a un procesador clásico de 10 teraflops, es decir, billones de operaciones en punto flotantes por segundo. Cuando, actualmente, las computadoras trabajan en el orden de gigaflops, es decir, miles de millones de operaciones por segundo.
El bit cuántico (quantum bit)
Un qubit (en inglés quantum bit) es un espacio de estado cuántico complejo bidimensional. Es la mínima unidad de la información cuántica. Tiene dos estados básico, estos se llaman, 0> y 1> (se pronuncian ket cero y ket uno). Cuando hablamos del estado puro propiamente del qubit, hacemos referencia a la superposición cuántica de los dos estados. Esto es significativamente distinto al estado de un bit clásico, que puede asumir solamente un valor 0 ó 1.
La máxima diferencia que encontramos entre un qubit y un bit no se debe a la naturaleza continua de sus estados, sino que múltiples qubits pueden realizar un entrelazamiento o enredo cuántico (En inglés, entangement) que permite expresar superposiciones de diferente cadenas binarias (01010 y 11111, por ejemplo) de forma simultánea. También es posible un sistema de tres estados, llamado cutrit, cuyos estados se denominan, convencionalmente, |0>, |1> y |2>. Un qubit no puede ser clonado, no puede ser copiado, y no puede ser enviado de un lugar a otro.
Ventajas del uso de la computación cuántica
Esta es la ventaja que tiene la computación cuántica respecto a la clásica: La lógica de un bit es 0 ó 1, mientras que un qubit entraña el concepto de ambos a la vez. Si tomamos por ejemplo dos bits, sus estados posibles son cuatro: 00, 01, 10, 11 (*). Son necesarios cuatro pares de bits para representar la misma información que un solo par de qubits con comportamiento ambiguo. Si bien hay problemas que son irresolubles por naturaleza. A pesar de ello, a computación cuántica brinda ventajas enormes, como cuando nos referimos a la mecánica cuántica, puesto que el espacio de estado aumenta exponencialmente con el número de qubits. El bit, lo hace linealmente.
Las ventajas que aporta la computación cuántica son la aplicación masiva de operaciones en paralelo y la capacidad de aportar nuevas soluciones a problemas que no son abarcables por la computación cuántica debido a su elevado coste computacional. Sin embargo, y a pesar de las ventajas expuestas anteriormente, un ordenador cuántico solo será eficiente para un rango de tareas determinado. Esto implica que habrá ciertas funciones en las que no será una ventaja utilizar la tecnología cuántica frente a la computación clásica actual.
(*)
Computadora cuántica
Una definición acerca de las computadoras cuánticas, ampliamente aceptada por los investigadores, la concibe como un sistema de circuitos cuánticos, actuando en un espacio de estados. El circuito es una secuencia de transformaciones unitarias seguido por una medición. Esas transformaciones, son llamadas compuertas cuánticas, y son controladas por una computadora clásica. Así esto permite la superposición simultánea de estados básicos (correspondientes a estados clásicos "0" y "1").
Hardware cuántico
Requerimientos de implementación:
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 Vinzenzo, y actualmente hay varios candidatos a qubits.
Requisitos 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 qubits de forma controlada, con un conjunto de operaciones que forme un conjunto niversal de puertas lógicas (para poder reproducir a 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 qubits, para tratar con problemas de mayor coste computacional.
Candidatos a qubits
- Espines nucleares de moléculas en disolución, en un aparato de RMN.
- Flujo eléctrico en SQUIDs.
- Iones suspendidos en vacío.
- Puntos cuánticos en superficies sólidas.
- Imanes moleculares en micro-SQUIDs.
Software cuántico
Dado que el tratamiento de la información cuántica es notablemente distinto del de la clásica, se necesitaran algunas herramientas para construir los programas cuánticos.
Cosas básicas en el software cuántico
Un conjunto apropiado de puertas, algoritmos que aprovechen el comportamiento cuántico y disponer de métodos apropiados para controlar los posibles errores.
- Una forma de obtener puertas cuánticas es la cuantización de las puertas clásicas, que pasa por reinterpretar los bits como qubits. Se puede demostrar que el conjunto de puertas cuánticas que afectan a un sólo qubit, conjuntamente con las puertas llamadas control-not (que afectan a dos qubits), forman un conjunto universal con las que se puede construir cualquier programa cuántico.
- A pesar del esfuerzo que se ha dedicado a la obtención de algoritmos que aprovechen el comportamiento cuántico, en la actualidad, su número es reducido. Ya se ha mencionado que aunque mediante superposiciones apropiadas, es posible manejar un número exponencial de estados, eso no supone que esta información esté disponible. Para acceder a esa información debemos medir sobre el estado colapsándolo, y la información se pierde casi en su totalidad. Para aprovechar los aspectos cuánticos, debemos combinar la posibilidad del paralelismo cuántico con la interferencia.
- Quizás es éste uno de los mayores problemas a la hora de construir un ordenador. Estos errores provienen de la inexorable interacción del ordenador con su entorno, proceso denominado decoherencia. Se pensó que no podían existir métodos para el control de errores cuánticos, pero se ha mostrado cómo es posible contener los errores mediante códigos cuánticos correctores de errores. Estos códigos, detectan y corrigen estos errores, usando sofisticadas técnicas cuánticas. En resumen, la ventaja en la potencia de estas máquinas proviene del paralelismo masivo (exponencial) debido a la superposición de estados en los qubit. Si estos ordenadores fueran factibles en la práctica, permitirían atacar problemas que en los ordenadores clásicos implicarían tiempos astronómicos. Aparte de las aplicaciones encaminadas a la ciencia básica, estos ordenadores podrían usarse en la criptografía, criptoanálisis, búsquedas en inmensas bases de datos, simulaciones meteorológicas, etc. Queda por saber si el aislamiento de los sistemas permitirá escapar al límite impuesto por el decaimiento y la decoherencia que destruyen la mezcla cuántica de estados. Otro de los problemas principales es la escalabilidad, especialmente teniendo en cuenta el considerable incremento en qubits 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 qubits para resolver problemas computacionalmente interesantes hoy en día.
Aplicaciones
Factorización de enteros grandes
Otro gran uso, es utilizarlo para la descomposición de número grandes en factores primos. Esta manera de solucionarlo es bastante particular, resulta de gran interés, y la computación cuántica tiene una solución conocida en su campo. Un número primo es aquel que se puede dividir entre el mismo número y la unidad, al parecer el hecho de encontrar números primos parece sencillo, sin embargo, no lo es, cuando estos son enormes.
No existen algoritmos, sumamente, sencillos que nos generen números primos, tampoco para comprobar si es que un número ingresado es primo, ni factorizar descomponiendo a un número. Las computadoras clásicas lo resuelven mediante el método e ensayo y error. Y la dificultad de resolverlos se acrecienta cuando el valor de estos número es mayor.
Es por ello, que debe ser fácil el imaginar el entusiasmo de los miembros de la comunidad científica cuando, en 1986, Peter W. Shor demostró que se podría descomponer un número primo de forma eficiente utilizando la computadora cuántica.
Entonces, la factorización de números, primos o compuestos, más allá de ser un problema importante para la ciencia computacional, es a la vez la clave de la criptografía moderna. Un ejemplo de esto, el método PGP (Pretty Good Privacy, “Muy Buena Privacidad”). El cual depende de poder generar números primos grandes, es decir que cada usuario genera su propio par de números. Un número (llamado la llave derecha o la llave pública) se distribuye en una forma abierta a todos.
El segundo (la llave izquierda o la llave privada) lo guarda en secreto cada usuario. Si, digamos, Alicia quiere mandar un mensaje a Beto, ella “cierra” su mensaje con la llave pública de Beto. El mensaje queda revuelto o encriptado. Una vez cerrado con la llave derecha el mensaje sólo puede ser abierto (ordenado y descifrado) con la llave izquierda, y sólo Beto la tiene en secreto. Sólo él puede abrir el mensaje y leerlo, si tiene instalado desde luego el paquete de computación adecuado llamado PGP que se ofrece gratuitamente en la red. Si alguien más quiere saber lo que está escrito, va a tener que generar números primos grandes y comprobar cuál de ellos sirve.
Si este problema lo resolvería con los métodos de factorización de las computadoras clásicas, el proceso tardaría un equivalente a la antigüedad que tiene el universo, esto es miles de millones de años. Por eso, es comprensible que luego del descubrimiento de Shor, el avance de la computación cuántica haya recibido un fuerte apoyo económico. Más aún, por parte de las agencias militares.
Teleportación cuántica
Así también, la Computación Cuántica está involucrada en la Teleportación Cuántica. En 1993, Bennet desarrolló el método para teleportar un estado cuántico desconocido. Para esto se valieron de un par de Bell, también llamado estado EPR debido a la paradoja planteada por Einstein, Podolsky y Rosen, la cual básicamente postula que si tengo un par entangled, por más lejano que este un qubit del otro, al efectuar una medición sobre uno de ellos, el otro qubit también colapsará. La teleportación utiliza la computación cuántica, y nos permite recuperar la información guardada en un qubit de estado desconocido en cualquier lugar alejado del qubit original, transportando toda la información que contenía dicho qubit hasta otro qubit.
Codificación superdensa
La computación cuántica está relacionada con la Codificación superdensa. Consiste en aprovechar el entrelazamiento como fuente de información. Si es que vemos a primera vista, lo normal sería que utilizara los qubits como si se tratara de bits habituales o comunes, enviando la información a los receptores por medio de las múltiples combinaciones de ellos.
El algoritmo de búsqueda de Grover
La potencia mecánica se desenvuelve en un sinfín de aspectos dentro de la resolución de problemas computacionalmente son pesados. Las aplicaciones que realiza es la búsqueda de elementos en listas. Hay diferentes maneras de mejorar la eficacia de las búsquedas, pero cada una de esas alternativas nace de situaciones particulares.
Almacenar una lista de contraseñas en el sistema es un ejemplo relativo de seguridad informática. Una lista de contraseñas habitualmente se almacena comprimida en algún archivo del sistema, de tal forma que cuando el usuario ingrese su contraseña, esta se comprima de nuevo y se compara con la versión que previamente estaba comprimida en la lista. Descomprimir una contraseña que fue codificada por sistema criptográfico de clave pública es ahora complicada cuando la clave es suficientemente compleja.
Inteligencia artificial
Según Neven, científico que trabaja en computación cuántica, la visión artificial, la robótica y neurociencia computacional, la posible clave para resolver los grandes retos que presenta el aprendizaje artificial es la computación cuántica. Es decir, hay mejorar los modelos en lo que se apoya la inteligencia de estas máquinas y, de esa forma, obtener mejores predicciones, además, mejores resultados.
Para Google, es probable que la computación cuántica marque un antes y un después en cuanto al reconocimiento de voz y disparar las posibilidades de su buscador pero, en general, este nuevo ejemplar puede aportar mucho en otros campos como la investigación médica o los sistemas de radar; una tecnología de la que sin duda hay mucho que hablar.
Avances actuales de la computación cuántica
En el ejército
Los científicos estadounidenses proponen utilizar la tecnología cuántica junto con los fotones en radares para interceptar a los aviones. Según explica el investigador Mehul Malik, “para introducirse en nuestro sistema, el objeto tendrá que perturbar el delicado estado de los fotones lo que provocará errores y revelará esta actividad”. Si el enemigo intenta interceptar los fotones y devolverlos de manera que den una imagen alterada del objeto, el radar cuántico descubrirá de inmediato que el fotón ha sido modificado.
Por parte de los especialistas, ya se han probado el sistema rebotando fotones contra un objeto en forma de avión y midiendo el error de la polarización de la señal de retorno. Una de las mejores ventajas que se alcanza rescatar de este método, según los investigadores, es que es fácil empezar a aplicarlo porque ya se usa tecnología similar en muchos laboratorios por todo el mundo.
Computador cuántico dentro de un diamante
El campo experimental de la computación cuántica se ha convertido en un terreno fértil para la tecnología abstracta pero fascinante, y un reciente documento de Nature no es la excepción. Como parte de la investigación sobre la reducción de la decoherencia, o interferencia externa que afecta a los bits cuánticos o qubits, un grupo de científicos ha construido un ordenador cuántico alojado dentro de un diamante. En concreto, un par de qubits fueron alojados en las imperfecciones del diamante.
Como la mayoría de los ordenadores cuánticos, este último proyecto es más una prueba de concepto que otra cosa. A pesar de que son una gran promesa para la informática, los ordenadores también son difíciles de escalar, y deben ser capaces de lidiar con qubits que duran sólo una fracción de segundo. Esta investigación sobre la decoherencia podría ayudar a hacer posible que un gran número de qubits trabajen juntos sin ser afectados por el calor u otros factores.
Crean chip de silicio que genera sus propios fotones
Los investigadores construyeron un chip capaz de exponerse al ataque directo de un rayo láser. A continuación, la luz cuántica producida se combina usando un divisor de haz integrado también en el dispositivo. Por ello, el equipo sugiere que su invención -básicamente, un sistema cuántico integrado en un chip-, hace innecesarios los fotones externos, creando el camino hacia un ordenador cuántico completo.
“Nos sorprendió lo bien que las fuentes integradas actuaron juntas”, admite Joshua Silverstone, autor principal del artículo. Según explica el investigador, estos componentes producen fotones idénticos de alta calidad de una manera reproducible, lo que confirma que se podría fabricar un chip de silicio con cientos de fuentes similares dentro trabajando juntas. “Esto podría conducir a una computadora cuántica óptica capaz de realizar cálculos enormemente complejos”, subraya Silverstone.
De momento, los detectores de fotones únicos, las fuentes y los circuitos se han desarrollado por separado en el silicio, pero ponerlos todos juntos e integrarlos en un chip ha sido un “enorme desafío”, en palabras del líder del grupo. Destaca también que a pesar de tratarse del circuito cuántico fotónico más complejo funcionalmente hasta la fecha, el dispositivo fue fabricado por Toshiba usando exactamente las mismas técnicas utilizadas para crear dispositivos electrónicos convencionales. Sin embargo, el resultado permite generar y manipular el entrelazamiento cuántico dentro de un solo microchip de tamaño milimétrico.
Conclusiones
Los ordenadores cuánticos se basan en el uso de los qubits (bits cuánticos) en lugar de bits, y da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos. Poseen una capacidad de cálculo muy superior a los computadores actuales gracias al paralelismo masivo (exponencial) debido a la superposición de estados en los qubit.
En el campo de la criptografía proponen un nuevo enfoque: control absoluto de seguridad a nivel de comunicación y su capacidad para realizar operaciones de factorización (descomposición en números primos), que representa una amenaza para las comunicaciones encriptadas que emplean muchas instituciones en sus sistemas de seguridad, y que se basan a su vez en la dificultad de hacer códigos. Y decir que la computación cuántica es un campo en el que aún queda mucho por descubrir.
Bibliografía
- Rubo, Yuri y Tagüeña, Julia. 2014.Computación Cuántica.
Extraído de: http://www.comoves.unam.mx/numeros/articulo/67/computacion-cuantica - Pérez, Patricia. 2014. Avance en computación cuántica: Crean un chip de silicio que genera sus propios fotones.
Extraído de: http://www.tendencias21.net/Avance-en-computacion-cuantica-Crean-un-chip-de-silicio-que-genera-sus-propios-fotones_a30445.html - Polli, Jose. 2012. Computación Cuántica.
Extraído de: http://www.monografias.com/trabajos60/computacion-cuantica/computacion-cuantica2.shtml
- Jara Goldenberg, Hugo. 2009. Computación Cuántica: ¿un nuevo paradigma?
Extraído de: http://tauzero.org/2009/06/computacion-cuantica-un-nuevo-paradigma/#more-3342
- Fundación Wikipedia. 2008. Computadora Cuántica de Benioff.
Extraído de: http://es.wikipedia.org/wiki/Computadora_cu%C3%A1ntica_de Benioff
- Sánchez Ángel. 2014. ¿Qué es la computación Cuántica?
Extraído de: http://computadoras.about.com/od/tipos-de-pc/fl/iquestQueacute-es-la-computacioacuten-cuaacutentica.htm
- Hecht, Juan. 2005. Fundamentos de Computación Cuántica para su Aplicación en Teoría de la Información Cuántica y Criptografía Cuántica versión 2.
Extraído de: http://www.criptored.upm.es/guiateoria/gt_m471a.htm
- Nasser Darwish Miranda. 2014. Computación Cuántica. Extraído de: http://www.fceia.unr.edu.ar/~diazcaro/QC/Tutorials/Computacion%20Cuantica.pdf
- Velasco. 2013. Google y NASA abrirán un laboratorio de computación cuántica
Extraído de: http://alt1040.com/2013/05/inteligencia-artificial-basada-en-computacion-cuantica
- Luque, Muricio. 2009. La codificación fotónica superdensa puede ser aún más densa.
Extraído de: http://www.solociencia.com/fisica/08051204.htm
- Avila Girón, Julissa. 2013. Nuevo avance en la Computación Cuántica.
Extraído de: http://computacioncuanticaunah.blogspot.com/p/avances.html
- Borgna Christel. 2012. Construyen computadora cuántica al interior de un diamante. Extraído de: http://www.fayerwayer.com/2012/04/construyen-computadora-cuantica-al-interior-de-un-diamante/