22 Datos más interesantes sobre las computadoras cuánticas | Edición 2021

No se supone que las computadoras cuánticas revisen sus correos electrónicos, actualicen el estado o realicen tareas normales de software / hardware. En cambio, se basan en algo más complicado:la mecánica cuántica.

La computadora cuántica se ocupa de partículas mucho más pequeñas que el tamaño de los átomos. A escalas tan pequeñas, las reglas de la física no tienen ningún sentido. Aquí es donde comienzan a suceder cosas emocionantes. Las partículas pueden moverse hacia adelante y hacia atrás o incluso pueden existir simultáneamente. Estos tipos de computadoras pueden aumentar la potencia computacional más allá de lo que pueden lograr las computadoras convencionales actuales.

Desarrollemos lo que sabemos sobre la computación cuántica en la actualidad. Hemos recopilado algunos de los datos interesantes sobre las computadoras cuánticas que lo doblarán.

1. Patrón de almacenamiento de información

Las computadoras que usamos hoy almacenan datos en un formato binario:una serie de ceros y 1 ′. Cada componente de la memoria se llama bit y se puede manipular mediante pasos de lógica booleana.

Por otro lado, una computadora cuántica almacenaría datos como un "0", "1" o una superposición cuántica de los dos estados. Un bit cuántico de este tipo (también conocido como Qubits) tiene una flexibilidad mucho mayor en comparación con un sistema binario.

Los Qubits podrían implementarse mediante el uso de partículas con dos estados de giro:"arriba" y "abajo". Un sistema de este tipo podría mapearse en un sistema spin-1/2 eficaz.

2. Velocidad deslumbrante

Dado que los datos en las computadoras cuánticas pueden existir en más de un estado de 0 y 1, pueden realizar cálculos en paralelo. Consideremos un ejemplo simple; si el qubit está en una superposición del estado 0 y el estado 1, y realizó un cálculo con otro qubit en una superposición similar, dejaría cuatro resultados:0/1, 0/0, 1/0 y 1/1.

La computadora cuántica mostrará el resultado anterior cuando esté en un estado de decoherencia, que dura (mientras está en una superposición de estados) hasta que colapsa a un estado. La capacidad de realizar múltiples tareas simultáneamente se conoce como paralelismo cuántico.

3. Seguridad redefinida

La velocidad de las computadoras cuánticas también es una gran preocupación en el campo del cifrado y la criptografía. Los sistemas de seguridad financiera del mundo actual se basan en la factorización de grandes números (algoritmos RSA o DSA) que, literalmente, las computadoras convencionales no pueden descifrar durante la vida útil de la Tierra. Sin embargo, una computadora cuántica podría factorizar los números en un período razonable.

Por otro lado, las computadoras cuánticas podrán proporcionar características de seguridad inquebrantables. Pueden bloquear datos cruciales (como transacciones en línea, cuentas de correo electrónico) con cifrados mucho mejores.
Se han desarrollado muchos algoritmos para computadoras cuánticas; los más conocidos son el algoritmo de Grover (para buscar una base de datos no estructurada) y el algoritmo de Shor (para factorización de números grandes).

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4. Energía eficiente

El consumo de energía es el factor crítico de cualquier dispositivo que funcione con electricidad. Una gran variedad de procesadores necesitan una gran cantidad de fuente de alimentación para mantener su rendimiento. La supercomputadora más rápida del mundo (Summit), por ejemplo, consume 13 MW de energía.

Sin embargo, las cosas se ponen realmente interesantes con las computadoras cuánticas. Dado que utilizan túneles cuánticos, reducirán el consumo de energía en un factor de 100 a 1000.

5. Las realidades alternativas

Según la física cuántica, nos ocupamos de algo llamado Multiverso, donde un problema puede tener muchas o infinitas soluciones probables. Por ejemplo, es posible que esté leyendo este artículo en su computadora portátil. En otro universo, es posible que esté leyendo esto en un dispositivo móvil mientras viaja.

Una computadora cuántica puede realizar "n" tareas en "n" universos paralelos y llegar al resultado. Si una computadora tradicional hace "n" cálculos en "n" segundos, una computadora cuántica puede realizar "n ^2" cálculos en la misma cantidad de tiempo.

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Tal vez recuerde que el Deep Blue de IBM fue la primera computadora que derrotó a un campeón mundial de ajedrez, Garry Kasparov, en 1997. La computadora lo hizo examinando 200 millones de posibles movimientos por segundo. ¡Lejos de la capacidad del cerebro humano! Pero, si fuera una máquina cuántica, habría calculado 1 billón de movimientos por segundo, 4 billones de movimientos en 2 segundos y 9 billones de movimientos en 3 segundos.

6. Por qué es difícil construir computadoras cuánticas

El problema de las computadoras cuánticas es la estabilidad. Resulta que la interferencia (cualquier tipo de vibración altera la vibración de los átomos) crea una salida sin sentido. Los electrones en la mecánica cuántica se comportan como ondas y se describen mediante una función de onda. Estas ondas pueden interferir, provocando el extraño comportamiento de las partículas cuánticas, y esto se llama decoherencia.

7. Temperatura fría

La temperatura necesaria para mantener una condición estable para un mejor rendimiento debe ser realmente baja. Para que las computadoras cuánticas funcionen, los átomos deben mantenerse estables. Y la única forma eficiente conocida de mantener estables estos átomos es reducir la temperatura a cero Kelvin, donde los átomos se vuelven estables sin liberar calor.

En la actualidad, el sistema D-Wave 2000Q es la computadora cuántica más avanzada. Su procesador superconductor se enfría a 0.015 Kelvin (180 veces más frío que el espacio interestelar).

8. Habilidades para resolver problemas

Las computadoras cuánticas pueden ejecutar algoritmos clásicos; sin embargo, para obtener resultados eficientes, usan algoritmos que parecen inherentemente cuánticos o usan algunas características de la computación cuántica como el entrelazamiento cuántico o la superposición cuántica.

Los problemas de clase indecidibles siguen siendo indecidibles en la computación cuántica. Lo que hace fascinantes a los algoritmos cuánticos es que podrán resolver problemas más rápido que los algoritmos clásicos. Por ejemplo, pueden resolver el problema del viajante en segundos, lo que toma 30 minutos en computadoras convencionales.

Además, una computadora cuántica puede ayudar a descubrir planetas distantes, pronosticar con precisión el clima, detectar el cáncer antes y desarrollar fármacos más efectivos mediante el análisis de datos de secuenciación de ADN.

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9. A.I Game Changer

La inteligencia artificial está en la fase inicial. El robot avanzado de hoy puede entrar en una habitación, reconocer materiales, formas y cuerpos en movimiento, pero carece de los factores que los hacen realmente inteligentes. Las computadoras cuánticas son mucho mejores en el campo del procesamiento de información:con 300 bits, podríamos mapear todo el universo.

Las máquinas cuánticas podrían acelerar exponencialmente la velocidad de las operaciones de aprendizaje automático, reduciendo el tiempo de cientos de miles de años a meros segundos.

Para medir la distancia entre dos vectores grandes de 1 Zettabyte, una computadora convencional con una frecuencia de reloj de GHz tomará cientos de miles de años. Considerando que, una computadora cuántica de frecuencia de reloj de GHz (si alguna vez se construye en el futuro) tomará solo un segundo después de que los vectores se entrelacen con el qubit auxiliar.

10. No todas las cosas se pueden hacer rápido

Aunque las computadoras cuánticas encuentran la forma más óptima de resolver un problema, se basan en algunos de los principios matemáticos básicos que su computadora personal utiliza a diario. Esto se refiere a la aritmética básica que ya está bien optimizada.

No hay mejor manera de sumar un conjunto de números que simplemente sumarlos. En tales casos, las computadoras clásicas son tan efectivas como las computadoras cuánticas.

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11. Último logro en computación cuántica

Los científicos de la Universidad de Nueva Gales del Sur desarrollaron una primera puerta lógica cuántica utilizando silicio en 2015. En el mismo año, la NASA reveló la primera computadora cuántica operativa fabricada por D-Wave con un valor de $ 15 millones.

En 2016, investigadores de la Universidad de Maryland crearon con éxito la primera computadora cuántica reprogramable. Dos meses después, la Universidad de Basilea especificó una variante de la máquina cuántica basada en huecos de electrones que utiliza huecos de electrones (en lugar de manipular espines de electrones) en un semiconductor a bajas temperaturas, que son bastante menos vulnerables a la decoherencia.

En 2019, Google AI, en asociación con la NASA, publicó un artículo en el que afirmaba que habían alcanzado la supremacía cuántica, un gran avance en la historia de la computación cuántica.

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12. Los sistemas se pueden utilizar para simular máquinas cuánticas

Una de las aplicaciones más importantes de la computación cuántica son los simuladores cuánticos. Permiten el análisis de sistemas cuánticos que son imposibles de modelar con supercomputadoras y difíciles de estudiar en el laboratorio.

Los simuladores cuánticos están diseñados específicamente para proporcionar información sobre ciertos problemas de física. Pueden construirse con computadoras cuánticas "digitales" programables convencionalmente, que podrían resolver una amplia gama de problemas cuánticos.

Hasta ahora, los simuladores cuánticos se han realizado en muchas plataformas experimentales diferentes, incluidos sistemas de iones atrapados, moléculas polares, gases cuánticos ultrafríos, puntos cuánticos y circuitos superconductores.

13. Lenguaje de programación para computadoras cuánticas

En 2020, los investigadores desarrollaron Sliq:un lenguaje de programación de alto nivel fácil de entender para computadoras cuánticas.

En los cálculos cuánticos, los desarrolladores generalmente tienen que lidiar con varias cosas frustrantes, como un bajo nivel de abstracción que conduce a un código desordenado, valores temporales que deben descartarse y mucho más.

Aunque algunos lenguajes cuánticos intentan solucionar esto, funcionan de una manera relativamente complicada. Sliq, por otro lado, admite el cálculo automático seguro, lo que permite una semántica intuitiva.

Algunos hechos y descubrimientos más fascinantes

14. La computación cuántica fue mencionada por primera vez por Richard Feynman en 1959 en su famosa conferencia "Hay mucho espacio en la parte inferior". Consideró la posibilidad de manipular átomos individuales como una forma mejorada de química sintética.

15. El primer protocolo de distribución de claves cuánticas del mundo, BB84, fue desarrollado por los investigadores de IBM Gillies Brassard y Charles Bennett en 1984. Es una técnica para enviar de forma segura una clave privada de un punto a otro para su uso en el cifrado de un solo uso.

16. En febrero de 2018, los físicos idearon una nueva forma de luz, que involucra estados unidos a tres fotones en un medio cuántico no lineal, que podría impulsar la revolución de la computación cuántica.

17. En marzo de 2018, el Laboratorio de Inteligencia Artificial Cuántica, dirigido por la Asociación de Investigación Espacial de Universidades, la NASA y Google, lanzó un procesador de 72 qubit llamado Bristlecone.

18. Un modelo realista de computación cuántica se ejecuta en algoritmos cuánticos, que pueden clasificarse según el tipo de problema que resuelven o la técnica o las ideas que utilizan. Actualmente, tenemos algoritmos basados ​​en amplificación de amplitud, transformada cuántica de Fourier y algoritmos cuánticos híbridos.

19. Se están buscando varios candidatos diferentes para implementar físicamente una máquina cuántica. Entre ellos, los más populares son:

• Computadora cuántica de iones atrapados y superconductores
• Punto cuántico basado en espines y basado en el espacio
• Computadora cuántica basada en diamantes
• Electrodinámica cuántica de cavidades
• Imán molecular

20. Los datos codificados en un estado cuántico no se pueden copiar. Si intenta leer estos datos, su estado cuántico cambiará. La función podría usarse para identificar escuchas clandestinas en la distribución de claves cuánticas.

21. Hasta ahora, cinco empresas han fabricado chips cuánticos:Google (Bristlecone), IBM (IBM Experience y Q), Intel (Tangle Lake), Rigetti (19Q) y D-Wave (Ranier).

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22. En 2020, un equipo de investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles estableció un nuevo récord para preparar y medir bits cuánticos dentro de una computadora cuántica sin errores. Más concretamente, consiguieron una tasa de error de preparación y medición del 0,03%. Afectará a casi todas las áreas de la ciencia de la información cuántica.