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Aquí está todo lo que necesita saber sobre las computadoras cuánticas

Aquí está todo lo que necesita saber sobre las computadoras cuánticas

Las computadoras cuánticas nos ofrecen una visión tentadora de nuestro futuro. Proporcionarán al futuro una informática de alto rendimiento y tal vez incluso sustituyan a las computadoras clásicas. A pesar de lo prometedor, todavía no están ampliamente disponibles ni son útiles. Profundicemos en el futuro "espeluznante" de las ciencias de la computación, tal vez.

En el siguiente artículo, exploraremos qué son, un poco de su historia, posibles aplicaciones y, por supuesto, abordaremos sus posibles brechas. Una evaluación completa de este campo está claramente fuera del alcance del siguiente texto, pero echemos un vistazo breve a esta tecnología potencialmente innovadora.

Soy la ley "da"

En 1947 Howard Aiken hizo una predicción audaz. Afirmó que "sólo seis computadoras digitales electrónicas satisfarían las necesidades informáticas de Estados Unidos". Avanza setenta años y podemos ver, claramente, que esto fue una subestimación. Nuestro hambre de conocimiento y velocidad de procesamiento ha superado claramente esta modesta estimación. Aiken nunca podría haber predicho la cantidad de procesamiento de datos requerido para el mundo moderno. Desde el advenimiento de Internet, los juegos y, por supuesto, el advenimiento de las redes sociales, podemos perdonar una estimación tan baja.

La ley de Moore establece, parafraseamos, que el número de transistores (o potencia) en los microprocesadores se duplicará cada 18 meses y los microprocesadores entre 2020 y 2030 encontrarán circuitos en un microprocesador que se medirán en la escala atómica. ¡Santo cielo! Claramente, esto requerirá que demos un genuino, ejem, salto cuántico en tecnología. Lógicamente, esto requerirá computadoras cuánticas que aprovechen el "poder" cuántico de átomos y moléculas para realizar tareas de procesamiento y memoria.

Las computadoras cuánticas proporcionarían, potencialmente, la potencia informática mejorada necesaria que superará ampliamente a las computadoras actuales basadas en silicio. Suena genial, ¿verdad? Mantenga sus caballos allí, "amigo", si todo fuera así de simple. Puede que las computadoras cuánticas no sean la panacea que nos hacen creer.

[Fuente de imagen: Pixabay]

Computadoras cuánticas: ¿Qué son?

Probablemente ya tenga una idea sobre estos dispositivos, pero comencemos con una definición: -

"Una computadora que hace uso de los estados cuánticos de partículas subatómicas para almacenar información". - Diccionario Oxford de inglés

Bueno, eso nos dice todo lo que necesitamos saber, ¿verdad? Genial, puedes saltarte el resto del artículo.

¿Aún aquí? Bien por ti, para aquellos de nosotros con una mente más inquisitiva, profundicemos un poco más ...

Ya se han construido computadoras cuánticas básicas para realizar cálculos básicos. Lamentablemente, faltan años para ejemplos prácticos reales. Los orígenes de estas máquinas místicas han existido durante la mayor parte del siglo XX. Las computadoras cuánticas fueron teorizadas por primera vez hace unos 30 años por Paul Benioff del Laboratorio Nacional Argonne. Primero teorizó la teoría cuántica aplicada a las computadoras en 1981. Sugirió que podríamos crear una máquina de Turing operando en la escala cuántica. De hecho, el dispositivo informático que está utilizando en este momento se basa en la máquina de Turing.

[Fuente de imagen: Wikimedia Commons]

Turing you magnífico (inserte improperio)

Alan Turing desarrolló su famosa máquina en la década de 1930. Este fue (es) un dispositivo teórico que consiste en una cinta interminable dividida en porciones discretas o cuadrados. Cada segmento tenía un valor de 1 o 0, o por supuesto se dejó en blanco. La cinta es leída por un dispositivo que traduce el "código" para proporcionar un conjunto de instrucciones. Hoy sabemos esto como binario. Esto es, de alguna manera vendernos a nosotros mismos cortos, bueno en teoría.

En una "actualización" cuántica de este dispositivo, la "cinta" existe en un estado cuántico, al igual que el dispositivo de lectura. Esto significa que la máquina puede leer los valores 1 o 0 o una superposición de 1 y 0. ¿Superposición, dices? Bueno, amigo mío, eso simplemente significa que puedes leer 1 o 0 o cualquier punto entre los dos o ambos. ¡Ah, y al mismo tiempo "para arrancar"!

Debido al fenómeno de que una computadora cuántica puede contener múltiples estados simultáneamente, tienen el potencial de ser órdenes de magnitud más poderosas que las computadoras convencionales.

Cómo funcionan las computadoras cuánticas

La computación cuántica es, en esencia, el hecho de que en el reino cuántico las cosas no son tan claras como cabría esperar en nuestro mundo macroscópico. Las partículas subatómicas como los electrones y los fotones pueden existir simultáneamente en estados que normalmente consideraríamos mutuamente excluyentes. En efecto, pueden estar en varios lugares a la vez. En el caso de los fotones, por ejemplo, podrían presentar dos tipos de polarización. En nuestra vida cotidiana nunca observamos este tipo de superposición debido a los fenómenos descritos por Erwin Schrödinger y su sádica costumbre de meter gatos en cajas. ¡Bad Schrödinger!

La extraña y aún inexplicable eliminación de la superposición una vez que se observa el sistema, por ejemplo, cuando se intenta medir la ubicación de un electrón, ofrece un potencial fantástico para la computación. La superposición nos libera efectivamente de las limitaciones binarias. Las computadoras cuánticas, al menos en teoría, aprovechan la superposición.

Podría pensar que esto se podría lograr con la física tradicional, incluso usando dos bits ordinarios simultáneamente. Si este fuera el caso, las computadoras cuánticas no son tan impresionantes, ¿verdad? En un sistema con más de un qubit, debe recordar que cada componente individual no es realmente independiente del siguiente. De hecho, están enredados. Cuando mides u observas uno de los dos qubits que están enredados, obtienes un valor. Pero ... tú también obtienes simultáneamente el valor del otro. Las partículas ni siquiera necesitan estar en el mismo lugar. Einstein una vez llamó al entrelazamiento "acción espeluznante a distancia". El siguiente video de Veritasium nos brinda una buena descripción general de las computadoras cuánticas, disfrútelo.

Construyendo la máquina

Construir una computadora cuántica no será una tarea fácil. Aunque la construcción de bits tradicionales en computadoras clásicas es una segunda naturaleza para nosotros ahora, producir qubits no es nada fácil.

Todavía no estamos seguros de cuál es la mejor manera de hacer un qubit. Las técnicas varían desde atrapar iones, electrones u otras partículas subatómicas. Otros proponen el uso de superconductores para hacer circuitos cuánticos microscópicos. Otros han sugerido el uso de fotones y aparatos ópticos complejos para producir el "hardware" necesario.

Sea cual sea la ruta que recorramos, o incluso una combinación de las tres, todas comparten algo muy importante. Actualmente, todos son plausibles a pequeña escala, pero son difíciles de realizar a gran escala. Hasta que se resuelva este problema, las computadoras cuánticas son actualmente limitadas.

El principal obstáculo a superar es algo llamado decoherencia cuántica. Los sistemas cuánticos, en esencia, deberán estar aislados del resto del mundo que los rodea para que funcionen. Cualquier pequeña interacción hará que todo el sistema se descohere y colapse a un estado binario. Esto no solo se limita al sistema principal, sino también a sus gubbins. Las puertas cuánticas, los espines nucleares de los qubits y las vibraciones de celosía, por ejemplo, también pueden introducir efectos de decoherencia. Ah, hombre, entonces, ¿cómo podríamos resolver esto? Bueno, podríamos decidir sobre una tasa de error aceptable, o más bien, la cantidad de decoherencia con la que estamos felices de "vivir". Luego diseña el resto a partir de ahí.

Aunque no es una solución perfecta, incluso con una pequeña tasa de error, todavía obtenemos el mayor beneficio de la computadora cuántica. Es una compensación.

Desentrañar el enredo

El entrelazamiento significa que no puede simplemente encadenar las descripciones de los qubits individuales. Necesita describir todas las correlaciones entre ellos. A medida que aumenta el número de qubits, las correlaciones relativas aumentan exponencialmente. Para n número de qubits, las correlaciones crecen exponencialmente. Esto significa que rápidamente "explota". ¡Si quisiera describir un sistema de solo 300 qubits, alcanzará una cantidad de posibles correlaciones que excede la cantidad de átomos en el universo visible conocido! Santa vaca.

¿Te imaginas un número de posibilidades tan grande? Simplemente, no podía "escribir" la información contenida en un sistema de este tipo utilizando bits clásicos. Una computadora que funcione con qubits podría realizar tareas que una computadora digital clásica probablemente nunca podría esperar lograr. El potencial es enorme y emocionante.

Suena fantástico, ¿verdad? Hay, sin embargo, un problema. Cualquier "lector" o algoritmo tomaría datos de qubits superpuestos como entrada. Pero la salida también estaría en un estado cuántico. ¡Dicha información también cambiará a medida que intente observarla! "La naturaleza hace un truco aquí", dice Richard Jozsa, pionero de la computación cuántica en la Universidad de Cambridge.

"Ella actualiza un estado cuántico, pero luego no te permite obtener toda la información".

La solución de la computación cuántica es proporcionar métodos para obtener la mayor cantidad de información posible de lo no observable.

Predicar con el ejemplo

Cualquier dispositivo computacional se basa en algoritmos para realizar cálculos y seguir programas. Richard Jozsa y David Deutsch han desarrollado un ejemplo de algoritmo para computadoras cuánticas. Su tarea es un poco extraña, pero tengan paciencia con nosotros. Para ayudar a explicar, imaginemos una fila de personas esperando para ingresar a una puerta con un lugar con capacidad limitada. Supervisando la entrada hay un guardia de seguridad fornido que le permitirá la entrada simplemente basándose en su pulsera preasignada. Cada pulsera tiene cadenas de tres ceros o unos.

Hay 8 personas en la cola o dos elevadas a 3. Cada uno de los "invitados" tiene una cadena única de 0 y 1 en sus respectivas pulseras. El guardia registra sus decisiones asignando un 1 a una cadena de bits en particular si decide dejar entrar a alguien o un 0 si no lo hace. Esto se llama función booleana, que es una regla que asigna un 0 o 1 a una cadena de bits. Son el elemento básico de la informática.

No sabemos lo que decidirá el guardia para cada persona, pero sí sabemos que tiene sus caminos. O dejará entrar a todo el mundo o dejará entrar exactamente a la mitad de la gente. Tu tarea no es averiguar qué le sucede a cada persona, sino si el guardia está de buen humor y deja entrar a todo el mundo o solo a la mitad. Entonces, ¿cuántos valores de la función booleana de la guardia necesitamos buscar para encontrar en qué estado de ánimo está la guardia?

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Una computadora clásica necesitaría mirar las pulseras al menos cinco veces para tener una idea de la decisión final. Incluso si miraste las primeras cuatro pulseras y tenían un 1, no puedes estar seguro si eso representa solo la mitad o todas las personas que esperan. Por lo tanto, necesitará un quinto valor de pulsera. Con una computadora cuántica, puede buscar los valores de los ocho simultáneamente y solo necesita una función de búsqueda.

"Por el costo de ejecutar el programa una vez con esta divertida entrada de superposición, de alguna manera ha calculado todos los [valores a la vez]", explica Jozsa.

La ventaja de las computadoras cuánticas sobre las clásicas es aún más evidente cuando hay cada vez más personas en nuestro ejemplo anterior. Con una línea de 2norte individuos y una computadora clásica necesitarían 2n-1+1 veces. Esto crecería exponencialmente, como puedes imaginar. Una computadora cuántica solo necesita hacer esto una vez.

Como se mencionó anteriormente, hay un problema que debemos superar con las computadoras cuánticas y nuestro escenario anterior. Sus ocho valores buscados simultáneamente se codificarán en un estado cuántico que no podemos leer directamente. Cualquier medición de los valores los perturbaría. Sin embargo, afortunadamente para nosotros, no estamos tratando de averiguar qué pasará con cada individuo. Solo necesitamos averiguar si el guardia está de buen o mal humor.

"Esa es sólo una pregunta de sí o no", explica Jozsa. "Es una pequeña cantidad de información sobre muchos valores".

[Fuente de imagen: Pixabay]

Castillo de naipes

Jozsa y Deutsch nos muestran que existe la posibilidad de realizar una operación adicional en nuestros datos de estado cuántico. Un paso que lleva la simple información que buscamos a los lugares correctos donde podemos leerla. Es un poco como un castillo de naipes que se derrumbará tan pronto como lo mires. Nunca podremos verlo en todo su esplendor, pero, si se construyera de la manera correcta, podríamos reconstruirlo a partir del montón derrumbado.

Incluso los patrones o estructuras simples en sistemas de múltiples componentes de una computadora clásica a menudo no tienen más remedio que evaluar todos, bueno, muchos de los componentes individualmente. Una computadora cuántica no lo hace, puede evaluarlos a todos al mismo tiempo. Aunque no puede leer todos los valores individualmente, puede extraer suficiente información para obtener una imagen más amplia.

Jozsa y Deutsch desarrollaron este algoritmo en 1992. Fue el primero que pudo demostrarse que funciona mucho más rápido que cualquier algoritmo anterior diseñado para la misma tarea. Más interesante aún, estos dos caballeros no son ingenieros cuánticos trabajando en un laboratorio, sino teóricos. Su trabajo combinado combinó el formalismo matemático para la mecánica cuántica y la computación teórica para descubrir qué pueden lograr ambos. Actualmente, esto es puramente teórico, ya que aún no hemos construido una máquina completamente desarrollada.

¿Reemplazarán las computadoras cuánticas a las computadoras clásicas?

A pesar de toda la exageración y el esfuerzo mental que se aplica a esta tecnología, puede que al final todo sea infructuoso. Es posible que no podamos decir si los resultados de los cálculos de la computadora cuántica están produciendo la respuesta correcta. ¿Eh? ¿Cómo es eso?

Las computadoras cuánticas podrían hacer cálculos en días u horas que a una computadora normal le llevaría miles de años completar. Algunas respuestas que produce serán verificables, como por ejemplo, una clave criptográfica complicada podría verificarse usándola (encriptar y desencriptar un mensaje, digamos). Pero otros podrían tener que tomarse "por fe". En esencia, es probable que las computadoras cuánticas se utilicen para problemas complejos para los que simplemente no podremos tener un método de confirmación. ¿Cómo comprobaríamos los cálculos y los resultados?

[Fuente de imagen: Pixabay]

Verificando resultados

Sin embargo, los científicos de la Universidad de Viena respaldan a las computadoras cuánticas. Han desarrollado una técnica llamada "computación cuántica ciega" que podría ayudar. Es bastante simple e involucra trampas matemáticas que son pasos intermedios en el cálculo, que se pueden predecir antes de ejecutar el cálculo. Si estas trampas predichas no coinciden con el resultado real en esa etapa, entonces hay algo mal en todo el proceso. Entonces, en lugar de verificar todo el proceso, simplemente lo "probamos" en puntos. Un poco como el control de calidad en una línea de producción.

Este equipo demostró que la técnica puede funcionar, al menos, a pequeña escala utilizando sistemas de cuatro qubits. Estas unidades más pequeñas se pueden usar para verificar computadoras principales o secundarias más grandes. El equipo también afirma que estos pueden ser escalables y podrían usarse en computadoras con cientos de qubits. Sin embargo, hay un inconveniente:

"Como casi todos los experimentos de computación cuántica actuales, esto tiene actualmente el estado de una demostración divertida de prueba de concepto, en lugar de cualquier cosa que sea directamente útil hasta ahora", explicó Scott Aaronson en el Instituto de Tecnología de Massachusetts.

¿Esta encendido?

El problema no es solo verificar los resultados, sino también averiguar si la máquina está funcionando en primer lugar. En realidad, no se ha verificado que las "computadoras cuánticas" disponibles en la actualidad funcionen como se supone que deben hacerlo. En efecto, se basan en la teoría, esperando que funcione y juzgando los resultados.

Obviamente, esto plantea una gran cantidad de problemas. Principalmente, lograr el rendimiento puede ser complicado. Codificar la máquina también es muy difícil. Por su propia naturaleza, las computadoras cuánticas proporcionan respuestas probabilísticas en lugar de definitivas o absolutas. Esto podría significar que para muchas soluciones la respuesta puede no ser necesariamente correcta y tendríamos que repetirla varias veces. Enjuague y repita hasta que la respuesta "correcta" sea clara. Suena un poco a adivinación de antaño.

Esto significa, entonces, que dependiendo del problema, puede que no haya una gran ventaja en usar una computadora cuántica sobre una convencional. La explotación del poder de la mecánica cuántica sin duda mejoraría la velocidad con la que reunimos soluciones. Hasta la fecha, los investigadores solo han podido hacer esto para un conjunto muy pequeño de problemas. Por ejemplo, encontrar factores primos de números muy grandes. Bastante genial, si te gusta ese tipo de cosas, y muy útil para la criptografía, pero eso es un poco limitado.

Conclusión

Si alguna vez pudiéramos construir computadoras cuánticas completamente desarrolladas, serían invaluables para factorizar grandes números y excelentes para decodificar y codificar mensajes, por ejemplo. Si pudiéramos construir uno hoy, la información sobre la seguridad de Internet se vería seriamente comprometida. Nuestros métodos actuales de cifrado no serían adecuados para su propósito en comparación con las capacidades de descifrado de la computación cuántica.

La búsqueda y consulta de bases de datos se realizaría en una fracción del tiempo que tardan las computadoras convencionales en realizar las mismas tareas. Las computadoras cuánticas también podrían, por supuesto, usarse para ayudar a impulsar nuestra comprensión de la mecánica cuántica y diseñar futuras computadoras cuánticas mejoradas.

Este campo está todavía en su infancia y muchos científicos creen que faltan años para encontrar uno funcional. Las máquinas útiles deben tener al menos varias docenas de qubits para poder resolver problemas del mundo real y, por lo tanto, ser viables.

Si podemos averiguar de qué hacer realmente qubits, averiguar cómo proteger la máquina de la interferencia del mundo exterior, lograr verificar que la máquina esté funcionando y dar sentido a los resultados, estas computadoras ciertamente nos ofrecerán algunas habilidades interesantes en el futuro. . Si eso no fuera suficiente, probablemente necesitemos verificadores o "descansos" para verificar que los cálculos se estén ejecutando como deberían y mejorar nuestra confianza en el resultado final. Entonces, no hay presión.

En primera instancia, probablemente veremos que las computadoras cuánticas reemplazan a las máquinas convencionales por tareas como el cifrado y los mensajes codificados. Probablemente tendrán lugares en otras formas de seguridad, como llaves, quizás para automóviles y nuestros hogares. Es probable que no sea probable que se produzca un reemplazo a gran escala de las computadoras convencionales. Lo que sea que depare el futuro, las computadoras cuánticas probablemente formarán una parte no insignificante.

Fuentes:HowStuffWorks, Plus Magazine, Gizmodo

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