Introducción a la computación cuántica - Parte I

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Computación Cuántica

Introducción a la computación cuántica - Parte I

Beatriz Varona | mar 19, 2020

Una máquina de computación o una máquina de Turing es un sistema físico que puede pasar, de forma dinámica, de tener un conjunto de estados de entrada, a otro diferente de salida, tras realizar algún tipo de operación.

Un poco de contexto histórico

Todo comienza en 1936, cuando el matemático inglés Alan Turing desarrolló la máquina de computación clásica, denominada la máquina de Turing. Esta máquina manipulaba símbolos en una tira de cinta, según una tabla de instrucciones. La cinta estaba dividida en un conjunto de celdas, cada una con un valor de entrada. De este modo, la máquina leía una celda cada vez y, según su valor, ejecutaba la instrucción correspondiente.

La instrucción podía modificar el valor de la celda, dejar el mismo o borrar el contenido, y mediante un cabezal, desplazaba la cinta hacia la derecha o izquierda. Finalmente, cambiaba el estado en el que se encontraba la máquina. La salida de la máquina de Turing se obtenía en la misma tira de cinta en la que se daban los valores de entrada.

 

Alan Turing. Fuente: National Geographic

Las primeras computadoras

En sus inicios, estas computadoras solamente podían resolver cálculos básicos y además eran muy grandes y complejas. Con el paso de los años, fueron desarrollándose computadoras compactas y con capacidad de resolver problemas más complejos.

Lo mismo ha sucedido con los microchips que utilizaban, que también han ido reduciendo su tamaño hasta ser cada vez más pequeños, con lo que se ha ido obteniendo una mayor velocidad de proceso.

Pero cuando se reduce tanto un microchip que llegamos a una escala de nanómetros, se produce el denominado efecto túnel: los electrones se salen de los canales del circuito por donde deben circular y no podemos reducir más su magnitud.

Las leyes de la mecánica cuántica

 

Máquina Enigma. Fuente: National Archives

La mecánica cuántica comenzó a desarrollarse a principios del siglo XX con científicos como Max Planck, Albert Einstein o Niels Bohr. Edwin Schrödinger desarrolló su famosa ecuación de onda en 1925, que describe la evolución temporal de una partícula cuántica.

El comportamiento de los electrones está definido por una función de onda, que viene de resolver la ecuación de onda de Schrödinger para el problema concreto. Esta función de onda nos va a indicar la probabilidad que tiene la partícula de ser encontrada en una posición u otra.

Según las leyes de la mecánica cuántica, habría alguna probabilidad de que esta partícula aparezca al otro lado de la barrera de potencial, aunque no tenga energía suficiente para saltarla. Por lo que podríamos decir que el electrón atraviesa la barrera de potencial, como si pasase por un túnel. De aquí viene el nombre del fenómeno cuántico “efecto túnel”.

El germen de la computación cuántica

 

La conferencia Solvay, 1927. Fuente: Wikipedia

La primera persona en proponer la idea de una computadora cuántica (una máquina de Turing que trabajase con las leyes de la mecánica cuántica) fue Paul Benioff en 1981. Más tarde Richard Feynman, entre 1981 y 1982 planteó que, una computadora cuántica que se basase en las leyes de la mecánica cuántica, podría hacer cálculos complejos de forma muy rápida.

Durante los años 90 aparecieron los primeros algoritmos cuánticos y con ellos las primeras aplicaciones y máquinas capaces de realizar cálculos cuánticos.

Los tiempos modernos

 

El simulador de IBM. Fuente: IBM

Desde 2016 se puede usar un simulador gratuito de computador cuántico de IBM en la nube, IBM Quantum Experience, de modo que cualquier persona con conexión a internet puede diseñar y ejecutar sus propios circuitos cuánticos.

Más recientemente, el pasado enero de 2019 IBM construyó el primer ordenador cuántico para uso comercial: el IBM Q System One, con un sistema de 20 qubits que puede emplearse tanto en el ámbito científico como en el empresarial.

Finalmente, el 23 de octubre de ese mismo año, la revista Nature publicó que Google había alcanzado de forma oficial la “supremacía cuántica”, es decir, que había logrado construir un dispositivo de computación cuántica que podía dar solución a problemas que la computación clásica no podía.

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Introducción a la computación cuántica, parte II

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