Computadora cuántica

La esfera de Bloch es una representación de un qubit , el bloque de construcción de las computadoras cuánticas.

Una computadora cuántica o computadora cuántica utiliza las propiedades cuánticas de la materia, como la superposición de estados y el entrelazamiento , para poder realizar operaciones sobre los datos. A diferencia de una computadora clásica, basada en transistores que operan con datos binarios (codificados como bits, 0 o 1), la computadora cuántica opera con bits cuánticos, o qubits , de los cuales el estado cuántico puede tener múltiples valores, o más precisamente un solo cuántico. valor que corresponde simultáneamente a múltiples valores clásicos. La disciplina que se ocupa, en los campos teórico y experimental, del desarrollo de la computación cuántica se denomina computación cuántica .

Historia

La computación cuántica comienza a principios de la década de 1980, cuando el físico Paul Benioff propuso el primer modelo cuántico de la máquina de Turing . Richard Feynman y Jurij Manin expresan más tarde la idea de que la computadora cuántica tiene el potencial de simular cosas que una computadora clásica no puede hacer. En 1994 Peter Shor publicó el algoritmo que lleva su nombre para la factorización de números enteros en tiempo polinomial . Este fue un punto de inflexión en el asunto, porque un importante método de criptografía asimétrica conocido como RSA se basa en la suposición de que la factorización de números enteros es computacionalmente difícil. La existencia del algoritmo cuántico en tiempo polinomial puede demostrar que uno de los protocolos criptográficos más utilizados en el mundo sería vulnerable a una computadora cuántica.

Si bien ha habido avances experimentales rápidos e impresionantes, la mayoría de los investigadores creen que "una computadora cuántica a prueba de fallas [sigue] siendo un sueño lejano". El 24 de octubre de 2019, Google afirma oficialmente que una computadora cuántica completó un cálculo de 10 000 años en 200 segundos, pero en respuesta, un destacado investigador afirma que una revolución de la computadora cuántica equivalente a la de la computadora clásica requerirá "inmensa ingeniería". , y probablemente aún más ideas ". Hay una cantidad cada vez mayor de inversión en computación cuántica por parte de gobiernos, empresas establecidas y nuevas empresas. La investigación académica e industrial también se centra en la aplicación de dispositivos de mediana escala y la demostración de la supremacía cuántica junto con el objetivo a largo plazo de construir y utilizar una computadora cuántica potente y sin errores.

Historia

• La primera idea de una computadora cuántica fue expuesta en dos artículos publicados por los físicos Paul Benioff y Yuri Manin en 1980 .
• En 1982 Benioff demuestra que una computadora cuántica puede ser reversible, es decir, sus operaciones pueden invertirse.
• En 1985 David Deutsch , en analogía a lo que hizo Alan Turing con la definición de la máquina universal, define la computadora cuántica universal, capaz de ser programada con cualquier algoritmo cuántico.
• Eric Drexler también reflexionó de forma independiente sobre la construcción de computadoras moleculares en su libro de 1986 Engines of Creation ( "Motores de creación").
• En 1992 , Deutsch y Jozsa anuncian el primer algoritmo que muestra una ventaja cuántica.
• En 1994 Peter Shor demostró con su algoritmo que sería posible factorizar cualquier número a altas velocidades de procesamiento.
• En 1998 el físico Bruce Kane propuso la construcción de un ordenador cuántico sobre átomos de fósforo dispuestos sobre una capa de silicio de tan solo 25 nanómetros de espesor. Es la computadora cuántica de Kane .

Esquema de la computadora de Kane

• En 2001 , IBM demostró el primer cálculo de un algoritmo cuántico utilizando un experimento que consiste en pulsos electromagnéticos que manipulan una resonancia magnética nuclear en moléculas formadas por siete átomos, que sirven como base de hardware para siete bits cuánticos (qubits). Posteriormente, este método se abandona porque un sistema que controla moléculas con un número suficiente de átomos para proporcionar los qubits para un algoritmo cuántico de interés práctico no es factible en la práctica.
• En 2005 se demuestra la primera puerta lógica cuántica conocida como puerta NO controlada (CNOT) por medio de qubits superconductores.
• En 2012 , la empresa canadiense D-Wave anuncia la primera computadora cuántica comercial. Se trata de un "recocido cuántico", llamado Vesuvius, compuesto por 64 registros de 8 qubits con un superconductor. El modelo es adquirido con fines de investigación por la NASA con Google y por Lockheed Martin .
• En 2019 , hay computadoras cuánticas comerciales basadas en superconductores e iones cargados atrapados , respectivamente . El campo de las computadoras cuánticas es un campo de investigación abierto que también incluye otros enfoques diferentes que han hecho posible implementar qubits y puertas lógicas que incluyen pozos cuánticos o defectos atómicos en semiconductores (incluidos en silicio , arseniuro de galio y diamante ), átomos neutros, fotones .
• En febrero de 2019, IBM comercializó la primera computadora cuántica, llamada IBM Q System One, que se puede usar de forma remota.

A pesar de algunas conexiones de las computadoras cuánticas con el campo de las comunicaciones cuánticas relacionadas, por ejemplo, con el posible uso de fotones para conectar estados entre computadoras cuánticas ubicadas en ubicaciones distintas, el campo de las computadoras cuánticas no debe confundirse con el de la criptografía cuántica para las comunicaciones, representado por ejemplo por el satélite chino Micius, el primero en permitir la comunicación cuántica vía satélite.

Innovaciones

• En 2001 IBM , en el Almaden Research Center , en el que opera un grupo coordinado por Isaac Chuang , crea un procesador cuántico de 7 qubits (compuesto por una única molécula con 7 espines nucleares ).
• En 2005, físicos de la Universidad de Arizona pudieron medir directamente las variaciones que sufre la longitud de onda de un átomo en contacto con una superficie.
• En febrero de 2005 se realizó por primera vez una correlación cuántica entre átomos artificiales .
• En diciembre de 2005, los científicos del instituto de óptica cuántica y computación cuántica de la Universidad de Innsbruck ( Austria ) crearon el primer qubyte (8 qubit ).
• Investigadores de la Universidad de Harvard y el Instituto de Tecnología de Georgia pueden transferir información cuántica entre diferentes tipos de memorias cuánticas, desde átomos a fotones y viceversa.
• En 2006 , Peter Zoller , de la Universidad de Innsbruck , descubrió un método sobre cómo usar moléculas polares criogénicas para estabilizar las memorias cuánticas.
• Investigadores japoneses desarrollan un método para contar electrones individuales.
• El 13 de febrero de 2007, D-Wave Systems muestra públicamente Orion, lo que se cree que es la primera computadora cuántica adiabática de 16 qubits.
• En abril de 2008, investigadores de la Universidad de Utah dirigidos por Ajay Nahata demostraron la posibilidad de crear una puerta lógica cuántica utilizando una fibra óptica de rayos T.
• En 2009 se construyó el primer procesador de 2 qubits.
• El 11 de mayo de 2011, D-Wave Systems anuncia el D-Wave One , un procesador de 128 qubit, que es la primera computadora cuántica que se comercializa.
• En abril de 2012, científicos del Instituto Max Planck , un instituto de óptica cuántica, lograron crear la primera red cuántica en funcionamiento.
• En mayo de 2013, Google y la NASA presentaron el D-Wave Two , en el Quantum Artificial Intelligence Lab, en California.
• En febrero de 2016, IBM pone a disposición pública el procesador IBM Quantum Experience , la primera computadora cuántica en modo nube con un procesador de 5 qubits .
• A mediados de 2017 , IBM está poniendo a disposición procesadores cuánticos de 16 y 20 qubit a través de la nube a través de IBM Quantum Experience .
• En marzo de 2018 Google Quantum AI Lab , presenta el nuevo procesador Bristlecone de 72 qubits .
• El 8 de enero de 2019, IBM anuncia la primera computadora cuántica comercial "IBM System Q One" y la plataforma "IBM Q Network" para uso científico y comercial en CES .
• En enero de 2020, IBM anunció el volumen cuántico más grande jamás alcanzado, igual a 32, en un procesador cuántico de 28 qubits, lo que confirma la tendencia anual a duplicar la potencia de sus computadoras cuánticas.
• 2020, abril: QuTech lanza Quantum Inspire, el primer procesador cuántico basado en "spin qubits" controlados por tecnología de bloqueo .

Descripción

Durante décadas, el aumento de la potencia informática ha ido de la mano de la miniaturización de los circuitos electrónicos , un fenómeno codificado empíricamente en la ley de Moore : la densidad de los transistores en un microchip y la velocidad de cálculo relativa se duplican cada 18 meses. La miniaturización de los componentes, sin embargo, se ha detenido en el umbral de la mecánica cuántica, imposibilitando seguir aumentando la densidad de los transistores y la reducción del tamaño de los circuitos integrados (medidas adoptadas hasta ahora para aumentar el rendimiento informático de los microprocesadores). ). Con una feliz intuición de la informática teórica , la mecánica cuántica se ha transformado en una oportunidad para construir máquinas con una potencia de cálculo enormemente superior a los ordenadores convencionales: los ordenadores cuánticos .

En lugar de los bits convencionales -unidades de información binaria, convencionalmente indicadas con los dígitos 0 y 1 y codificadas por los dos estados "abierto" y "cerrado" de un interruptor-, en la computadora cuántica se utilizan qubits , elementos básicos de la información cuántica codificada. por el estado cuántico en el que se encuentra una partícula o átomo . El espín de una partícula, por ejemplo, tiene dos estados que pueden codificar información binaria . Lo que hace interesantes a las partículas atómicas y subatómicas a efectos de cálculo es el hecho de que también pueden existir en una superposición de estados , ampliando enormemente las posibilidades de codificar información, permitiendo así afrontar problemas extremadamente complejos.

Sin embargo, ni la manipulación controlada de átomos y partículas, ni su comunicación mutua ni, en definitiva, la redacción de algoritmos adecuados , son fáciles de conseguir, por lo que el camino hacia la fabricación de un ordenador cuántico no ha hecho más que empezar. Se conocen varias docenas de algoritmos cuánticos que se dividen entre algoritmos algebraicos y de teoría de números, algoritmos oraculares y algoritmos de aproximación y simulación.

Conceptos Básicos

En la mayoría de los modelos de computación clásicos, la computadora tiene acceso a la memoria . Este es un sistema que se puede encontrar en uno de un conjunto finito de estados, cada uno de los cuales es físicamente distinto. Muchas veces es conveniente representar el estado de esta memoria como una cadena de símbolos o, más simplemente, como una cadena de 0 y 1. En este escenario, la unidad fundamental de la memoria se llama bit y podemos medir el "tamaño". de la memoria en términos del número de bits necesarios para representar completamente el estado de la memoria.

Si la memoria satisface las leyes de la física cuántica, el estado de la memoria podría encontrarse en una superposición cuántica de varios posibles estados "clásicos". Si los estados clásicos están representados por una cadena de bits, la memoria cuántica se puede encontrar en cualquier superposición de las posibles cadenas de bits. En el escenario cuántico, la unidad fundamental de memoria se llama qubit .

La propiedad definitoria de una computadora cuántica es la capacidad de transformar estados de memoria clásicos en estados de memoria cuántica, y viceversa. Esto contrasta con las computadoras clásicas en el sentido de que están diseñadas para realizar cálculos con una memoria que nunca se desvía de los valores definidos con precisión. Para aclarar este punto, considere que la información generalmente se transmite a través de la computadora como una señal eléctrica que puede variar entre dos valores de voltaje definidos . Si se insertara una señal con un voltaje diferente a esos dos, el comportamiento de las computadoras sería indefinido.

Por supuesto, en última instancia somos "seres clásicos" y solo podemos observar estados clásicos. Esto significa que la computadora cuántica debe completar su cálculo dando una salida clásica. Para producir estos resultados clásicos, la computadora cuántica se ve obligada a medir partes de la memoria en varios momentos durante el cálculo. El proceso de medición es inherentemente probabilístico, lo que significa que la salida de un algoritmo cuántico suele ser aleatoria. La tarea de un diseñador de algoritmos cuánticos es asegurarse de que la aleatoriedad se ajuste a los requisitos del problema en cuestión. Por ejemplo, si la computadora cuántica está buscando en una base de datos cuántica uno de los muchos objetos marcados, podemos pedirle a la computadora que emita cualquiera de los objetos marcados. La computadora cuántica tiene éxito en la tarea siempre que sea poco probable que genere un objeto sin firmar.

Operaciones cuánticas

El modelo prevaleciente de computación cuántica describe la computación en términos de una red de puertas lógicas cuánticas . La siguiente es una breve discusión del tema basada en el capítulo 4 del libro de Nielsen y Chuang.

El estado de la memoria de una computadora se puede representar como un vector de longitud igual al número de estados de memoria posibles. Así, una memoria formada por bits de información tiene estados posibles, y el vector que representa ese estado de memoria tiene entradas. Desde el punto de vista clásico, sólo una de las entradas vale uno y todas las demás cero. El vector debe verse como un vector de probabilidad y representa el hecho de que la memoria está en un estado particular con una probabilidad del 100 % (es decir, una probabilidad de uno). ${\ estilo de texto n}$${\ estilo de texto 2 ^ {n}}$${\ estilo de texto 2 ^ {n}}$

En mecánica cuántica, los vectores de probabilidad se generalizan a operadores de densidad . Esta es la base matemática rigurosa para las puertas cuánticas, pero el formalismo del vector de estado cuántico generalmente se presenta primero porque es conceptualmente simple. En este artículo sólo se tratará el formalismo de los vectores de estados cuánticos.

Comenzamos considerando una memoria simple que consta de un solo bit. Esta memoria se puede encontrar en uno de dos estados: estado cero o estado uno. El estado de una memoria de un solo qubit se puede representar utilizando la notación de Dirac de la siguiente manera:

${\ displaystyle | 0 \ rangle: = {\ begin {pmatrix} 1 \\ 0 \ end {pmatrix}}; \ quad | 1 \ rangle: = {\ begin {pmatrix} 0 \\ 1 \ end {pmatrix}} }$

Una memoria cuántica se puede encontrar en cualquier superposición de los dos estados clásicos y : ${\ estilo de texto | \ psi \ rango}$${\ estilo de texto | 0 \ rango}$${\ estilo de texto | 1 \ rango}$

${\ displaystyle | \ psi \ rangle: = \ alpha \, | 0 \ rangle + \ beta \, | 1 \ rangle = {\ begin {pmatrix} \ alpha \\\ beta \ end {pmatrix}}; \ quad | \ alfa | ^ {2} + | \ beta | ^ {2} = 1.}$

En general, los coeficientes y son números complejos . En este escenario, se dice que un qubit de información está codificado en la memoria cuántica. El estado no es en sí mismo un vector de probabilidad, pero se puede conectar con un vector de probabilidad a través de una operación de medida. Si elige medir la memoria para determinar si el estado es o (esto se denomina medida basada en computación), observaría el estado cero con probabilidad y el estado uno con probabilidad . Ver la entrada sobre amplitud de probabilidad . ${\ estilo de texto \ alfa}$${\ estilo de texto \ beta}$${\ estilo de texto | \ psi \ rango}$${\ estilo de texto | 0 \ rango}$${\ estilo de texto | 1 \ rango}$${\ estilo de texto | \ alfa | ^ {2}}$${\ estilo de texto | \ beta | ^ {2}}$

Para manipular el estado de esta memoria a un qubit, imaginemos aplicar puertas cuánticas análogas a las puertas lógicas clásicas . Una puerta obvia es la puerta NOT, que se puede representar mediante una matriz

${\ estilo de visualización X: = {\ comenzar {pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \ end {pmatrix}}.}$

La aplicación formal de esta puerta lógica sobre un vector de estado cuántico se realiza mediante la multiplicación de matrices . Por lo tanto tiene y como se esperaba. Pero esta no es la única puerta lógica interesante para un solo qubit. Otras dos puertas posibles son, por ejemplo, las otras dos matrices de Pauli . ${\ estilo de texto X | 0 \ rango = | 1 \ rango}$${\ estilo de texto X | 1 \ rango = | 0 \ rango}$

Las puertas de un solo qubit pueden operar en memorias de varios qubits de dos maneras importantes. Una forma es simplemente seleccionar un qubit y aplicar ese puerto al qubit de destino y dejar intacto el resto de la memoria. Otra es aplicar la puerta al objetivo solo si otra parte de la memoria se encuentra en un estado determinado. Ilustremos esto con otro ejemplo.

Considere una memoria de dos qubits. Los posibles estados son

${\ displaystyle | 00 \ rangle: = {\ begin {pmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \ end {pmatrix}}; \ quad | 01 \ rangle: = {\ begin {pmatrix} 0 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \ end {pmatrix}}; \ quad | 10 \ rangle: = {\ begin {pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \\ 0 \ end {pmatrix}}; \ quad | 11 \ rangle : = {\ comenzar {pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ 1 \ end {pmatrix}}.}$

La puerta NOT controlada (CNOT) se puede definir con la siguiente matriz:

${\ estilo de visualización \ mathrm {CNOT}: = {\ comenzar {pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \ fin {matrix}}.}$

Es fácil comprobar que ,, y . En otras palabras, el CNOT aplica una puerta NOT (la primera) al segundo qubit si y solo si el primer qubit está en el estado . Si el primer qubit es , no se hace nada con ninguno de los qubits. ${\ estilo de texto \ nombre del operador {CNOT} | 00 \ rangle = | 00 \ rangle}$${\ estilo de texto \ nombre del operador {CNOT} | 01 \ rangle = | 01 \ rangle}$${\ estilo de texto \ nombre del operador {CNOT} | 10 \ rangle = | 11 \ rangle}$${\ estilo de texto \ nombre del operador {CNOT} | 11 \ rangle = | 10 \ rangle}$${\ estilo de texto X}$${\ estilo de texto | 1 \ rango}$${\ estilo de texto | 0 \ rango}$

Para resumir, la computación cuántica se puede describir como una red de puertas y medidas cuánticas. Siempre se puede "aplazar" la medida al final de un cálculo cuántico, aunque esto pueda tener un coste computacional, según algunos modelos. Debido a la posibilidad de posponer la medición, la mayoría de los circuitos cuánticos están representados por una red que consiste únicamente en puertas lógicas cuánticas y sin mediciones.

Cualquier cálculo cuántico se puede representar como una red de puertas de una familia de puertas bastante pequeña. Una opción de familia de puertas que permite esta construcción se denomina conjunto de puertas universales. Un conjunto común incluye todos los puertos qubit individuales y el puerto CNOT. Esto significa que cualquier cálculo cuántico se puede realizar ejecutando una secuencia de puertas qubit individuales junto con puertas CNOT. Aunque este conjunto de puertas es infinito, puede ser reemplazado por un conjunto finito, apelando al teorema de Solovay-Kitaev.

Bibliografía

• Enrico Prati , Computadoras cuánticas , en Artificial Mind , Milán, EGEA, 2017.

Artículos relacionados

• Algoritmo cuántico
• Computación cuántica
• Nanotecnología
• Fotónica
• Optoelectrónica
• Informática
• Qubit
• Correlación cuántica
• Punto cuántico
• seth lloyd

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Enlaces externos

• ( EN ) Computadora cuántica , en Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
• Computador Cuántico , en La Enciclopedia de Ciencia Ficción .
• ( EN ) Trabajos relacionados con Computadores Cuánticos , en Open Library , Internet Archive .
• Nicola Nosengo , The slow march of the quantum computer , en treccani.it , 9 de marzo de 2012. Consultado el 17 de junio de 2021 (archivado desde el original el 13 de abril de 2013) .
• Mediciones de retroalimentación cuántica de Zurich Instruments AG