Computadoras Cuánticas Explicadas: 22 Datos Clave (Edición 2021)

Computadoras Cuánticas Explicadas: 22 Datos Clave (Edición 2021)

Las computadoras cuánticas no están destinadas a revisar tus correos, actualizar estados o hacer tareas normales de software/hardware. En cambio, se basan en algo más complicado: la Mecánica Cuántica.

La computadora cuántica trata con partículas mucho más pequeñas que el tamaño de los átomos. A escalas tan pequeñas, las reglas de la física no tienen sentido. Aquí es donde comienzan a suceder cosas emocionantes. Las partículas podrían moverse de ida y vuelta o incluso existir simultáneamente. Estos tipos de computadoras pueden aumentar la potencia computacional más allá de lo que logran las computadoras convencionales de hoy.

Desarrollemos lo que sabemos sobre computación cuántica en la actualidad. Hemos recopilado algunos datos interesantes sobre computadoras cuánticas que te dejarán boquiabierto.

1. Patrón de Almacenamiento de Información

Las computadoras que usamos hoy almacenan datos en formato binario —una serie de 0 y 1. Cada componente de memoria se llama bit, y puede manipularse mediante pasos de lógica booleana.

Por otro lado, una computadora cuántica almacenaría datos como "0", "1", o una superposición cuántica de los dos estados. Tal bit cuántico (también conocido como Qubit) tiene mucha mayor flexibilidad comparado con un sistema binario.

Los qubits podrían implementarse usando partículas con dos estados de espín —"arriba" y "abajo". Tal sistema podría mapearse en un sistema efectivo de espín-1/2.

2. Velocidad Vertiginosa

Dado que los datos en computadoras cuánticas pueden existir en más que solo estados 0 y 1, pueden realizar cálculos en paralelo. Consideremos un ejemplo simple; si el qubit está en una superposición de estado 0 y estado 1, y realiza 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 está en un estado de decoherencia, que dura (mientras está en 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 preocupación severa en el campo del cifrado y criptografía. Los sistemas de seguridad financiera mundial de hoy se basan en factorizar números grandes (algoritmos RSA o DSA) que literalmente no pueden ser descifrados por computadoras convencionales dentro de 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) 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 factorizar números grandes).

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4. Eficiencia Energética

El consumo de energía es el factor crítico de cualquier dispositivo que funcione con electricidad. Un enorme array de procesadores necesita una gran cantidad de suministro de energía para sostener su rendimiento. La supercomputadora más rápida del mundo (Summit), por ejemplo, consume 13 MW de potencia.

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

5. Las Realidades Alternas

Según la física cuántica, tratamos con algo llamado Multiverso, donde un problema puede tener muchas o infinitas soluciones probables. Por ejemplo, podrías estar leyendo este artículo en tu portátil. En otro universo, podrías estar leyendo esto en tu móvil mientras viajas.

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 "n²" cálculos en la misma cantidad de tiempo.

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Podrías recordar que Deep Blue de IBM fue la primera computadora en derrotar a un campeón mundial de ajedrez, Garry Kasparov, en 1997. La computadora lo hizo examinando 200 millones de movimientos posibles 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 en 2 segundos, y 9 billones en 3 segundos.

6. Por Qué Es Difícil Construir Computadoras Cuánticas

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

7. Temperatura Fría

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

Actualmente, 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 de Resolución de Problemas

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

Los problemas de clase indecidibles permanecen indecidibles en 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 vendedor viajero en segundos, lo que toma 30 minutos en computadoras convencionales.

Además, una computadora cuántica puede ayudar a descubrir planetas distantes, pronosticar el tiempo con precisión, detectar cáncer más temprano y desarrollar fármacos más efectivos analizando datos de secuenciación de ADN.

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9. Cambio de Juego Para IA

La inteligencia artificial está en fase inicial. El robot avanzado de hoy puede entrar a 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 el universo entero.

Las máquinas cuánticas podrían acelerar exponencialmente la tasa de 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 tamaño 1 Zettabyte, una computadora convencional con reloj de GHz tomaría cientos de miles de años. Mientras que, una computadora cuántica con reloj de GHz (si alguna vez se construye en el futuro) tomaría solo un segundo después de que los vectores estén entrelazados con el qubit auxiliar.

10. No Todo Puede Hacerse Rápido

Aunque las computadoras cuánticas encuentran la forma más óptima de resolver un problema, dependen de algunos principios matemáticos básicos que tu computadora personal usa diariamente. Esto se refiere a aritmética básica que ya está bien optimizada.

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

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11. Último Logro En Computación Cuántica

Científicos de la Universidad de Nueva Gales del Sur desarrollaron una primera puerta lógica cuántica usando silicio en 2015. Ese mismo año, NASA reveló la primera computadora cuántica operacional hecha por D-Wave que valía $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 máquina cuántica basada en hueco-electrón que usa huecos de electrón (en lugar de manipular espines de electrón) en un semiconductor a bajas temperaturas, que son bastante menos vulnerables a la decoherencia.

En 2019, Google AI, en asociación con NASA, publicó un artículo afirmando que han logrado supremacía cuántica —un avance en la historia de la computación cuántica.

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12. Los Sistemas Pueden Usarse 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 específicamente diseñados 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, incluyendo sistemas de iones atrapados, moléculas polares, gases cuánticos ultracoldos, puntos cuánticos y circuitos superconectores.

13. Lenguaje De Programación Para Computadoras Cuánticas

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

En computaciones cuánticas, los desarrolladores usualmente tienen que lidiar con varias cosas frustrantes, como un bajo nivel de abstracción que lleva a código desordenado, valores temporales que necesitan ser descartados, y mucho más.

Aunque algunos lenguajes cuánticos intentan sortear esto, funcionan de manera relativamente complicada. Sliq, por otro lado, soporta descomputación automática segura, 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 "There is plenty of room at the bottom". 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 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 uso en cifrado de un solo uso.

16. En febrero de 2018, físicos idearon una nueva forma de luz, que involucra estados ligados de 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 Universitaria, NASA y Google— lanzó un procesador de 72 qubits llamado Bristlecone.

18. Un modelo realista de computación cuántica funciona con algoritmos cuánticos, que pueden categorizarse por el tipo de problema que resuelven o técnica/ideas que usan. Actualmente, tenemos algoritmos basados en amplificación de amplitud, transformada de Fourier cuántica y algoritmos cuánticos híbridos.

19. Varios candidatos diferentes se están persiguiendo para implementar una máquina cuántica físicamente. Entre ellos, los más populares son:

• Computadora cuántica superconductor y de iones atrapados
• Punto cuántico basado en espín y espacial
• Computadora cuántica basada en diamante
• Electrodinámica cuántica de cavidad
• Imán molecular

20. Los datos codificados en un estado cuántico no pueden ser copiados. Si intentas leer estos datos, su estado cuántico cambiará. Esta característica podría usarse para identificar escuchas en 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, Los Ángeles, estableció un nuevo récord para preparar y medir bits cuánticos dentro de una computadora cuántica sin error. Más específicamente, lograron una tasa de error de preparación y medición del 0.03%. Impactará casi todas las áreas de la ciencia de la información cuántica.