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Computación Cuántica
La computación cuántica es un paradigma de computación distinto al de la computación clásica. Se basa en el uso de qubits en lugar de bits, y da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos.
Una misma tarea puede tener diferente complejidad en computación clásica y en computación cuántica, lo que ha dado lugar a una gran expectación, ya que algunos problemas intratables pasan a ser tratables.
A medida que evoluciona la tecnología, aumenta la escala de integración y caben más transistores en el mismo espacio; así se fabrican microchips cada vez más pequeños, y es que, cuanto más pequeño es, mayor velocidad de proceso alcanza el chip. Sin embargo, no podemos hacer los chips infinitamente pequeños. Hay un límite en el cual dejan de funcionar correctamente. Cuando se llega a la escala de nanómetros, los electrones se escapan de los canales por donde deben circular. A esto se le llama efecto túnel.
Una partícula clásica, si se encuentra con un obstáculo, no puede atravesarlo y rebota. Pero con los electrones, que son partículas cuánticas y se comportan como ondas, existe la posibilidad de que una parte de ellos pueda atravesar las paredes si son demasiado finas; de esta manera la señal puede pasar por canales donde no debería circular.
Por ello, el chip deja de funcionar correctamente.
En consecuencia, la computación digital tradicional no tardaría en llegar a su límite, puesto que ya se ha llegado a escalas de sólo algunas decenas de nanómetros. Surge entonces la necesidad de descubrir nuevas tecnologías y es ahí donde entra la computación cuántica en escena.
La idea de computación cuántica surge en 1981, cuando Paul Benioff expuso su teoría para aprovechar las leyes cuánticas en el entorno de la computación.
En vez de trabajar a nivel de voltajes eléctricos, se trabaja a nivel de quanta. 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).
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 Vincenzo, y hay varios candidatos actualmente.
En 2004, científicos del Instituto de Física aplicada de la Universidad de Bonn publicaron resultados sobre un registro cuántico experimental.
Para ello utilizaron átomos neutros que almacenan información cuántica, por lo que son llamados qubits por analogía con los bits. Su objetivo actual es construir una puerta cuántica, con lo cual se tendrían los elementos básicos que constituyen los procesadores, que son el corazón de los computadores actuales.
Cabe destacar que un chip de tecnología VLSI contiene actualmente más de 100.000 puertas, de manera que su uso práctico todavía se presenta en un horizonte lejano.
Científicos de los laboratorios Max Planck y Niels Bohr publicaron, en noviembre de 2005, en la revista Nature, resultados sobre la transmisión de información cuántica, usando la luz como vehículo, a distancias de 100 km.
Los resultados dan niveles de éxito en las transmisiones de 70%, lo que representa un nivel de calidad que permite utilizar protocolos de transmisión con autocorrección.
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.
En 2005 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.
En 2007 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
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.
En 2009 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.
IBM anuncia que ha creado un chip lo suficientemente estable para permitir que la informática cuántica llegue a hogares y empresas, se estima que en unos 10-12 años se pueda estar comercializando los primeros sistemas cuánticos
La computación cuántica es una forma radicalmente nueva de procesar la información, posibilitada por propiedades exclusivas de la mecánica cuántica tales como la superposición de estados (que origina el denominado paralelismo cuántico) y la existencia de correlaciones sin análogo clásico (entrelazamiento y correlaciones cuánticas).
Y a todo esto, ¿Qué es lo que puede hacer la computación cuántica? Precisamente, en el año 1994, Peter Shor, un matemático de los laboratorios Bell, demostró que de ser posible construir una computadora cuántica, esta podría transformar el problema de la factorización de hard a factible, y podría entonces quebrar la criptografía actual (al menos la basada en la dificultad de factorización). Por ejemplo, podría reducir los tiempos de cómputo que exige la factorización de millones de años a quizás pocos minutos.
Pero lo importante no es en realidad esto sino que tal tiempo de cómputo no aumentaría rápidamente con el tamaño de la entrada, es decir con el número de dígitos. Es un resultado que va ciertamente más allá que la computación clásica (la actual).
¿Qué es lo que hace tan potente a una computadora cuántica? Un aspecto central es el paralelismo cuántico derivado de la posibilidad de superposición. Un sistema cuántico puede estar en varios estados a la vez.
Por ejemplo, el electrón del átomo de hidrógeno en su estado fundamental está en un estado de energía definida (la más baja), pero no en una posición definida: Se encuentra en realidad en una superposición de estados de posición definida. Viendo este fenómeno desde la perspectiva de la informática, significa que es posible superponer distintas entradas en una computadora cuántica, y está procesa todas estas entradas al mismo tiempo, pues la superposición de entradas la ve como una sóla entrada más.
Otro aspecto central aunque más difícil de explicar es la presencia de entrelazamiento cuántico, es decir, de correlaciones cuánticas sin análogo clásico, que hacen que la computadora cuántica no pueda ser simulada eficientemente por una computadora clásica.
Las computadoras cuánticas no se basan en bits, como las computadoras clásicas (las actuales), sino en qubits, es decir, quantum bits. Mientras el bit de las computadoras clásicas pude tomar los valores 0 o 1 únicamente, el quantum bit puede estar en los estados 0 y 1, pero también en cualquier superposición de ambos estados.
El estado de un qubit puede verse como un punto en la superficie de una esfera (llamada esfera de Bloch). La computadora clásica es un caso restringido muy especial de la cuántica: Aquel en que el qubit sólo puede estar en el polo norte o en el polo sur de la esfera.
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