Introducción a la computación cuántica - Parte II

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Computación Cuántica

Introducción a la computación cuántica - Parte II

Beatriz Varona | mar 19, 2020

En esta segunda parte de la serie “Introducción a la computación cuántica” seguimos explorando las bases de esta ciencia desde sus orígenes a la actualidad. ¿Te quedas con nosotros a descubrirlo?

Conceptos básicos de la computación cuántica

 

1. Bits y qubits

En la computación cuántica se introducen las leyes de la mecánica cuántica. Los bits convencionales pueden tomar valores de 0 y 1, pero los bits cuánticos toman ambos valores a la vez (superposición), o incluso valores intermedios. Esto permite que se puedan realizar varias operaciones a la vez.

El bit cuántico, en inglés quantum bit, va a adoptar el nombre de qubit. La cantidad de qubits nos indica el número de estados que pueden estar en superposición. Dos bits pueden representar los cuatro estados: 00, 01, 10, o 11, pero solamente pueden tomar uno de los cuatro estados. Un sistema de dos qubits también puede representar los cuatro estados 00, 01, 10, o 11, pero podría tomar los cuatro estados a la vez.

Los estados cuánticos de un qubit se pueden representar como el estado fundamental |0⟩ o el estado excitado |1⟩, (Figura 1), los cuales serían similares a los bits clásicos 0 y 1. Estos se representan como vectores, utilizando la notación de Dirac, tal que:

Los qubits serían la combinación lineal de estos dos estados |0⟩ y |1⟩, tal que |ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩ y en donde α y β son amplitudes de probabilidad.

 

pulso de luz

Figura 1. Funcionamiento de un qubit: Dos niveles de energía de un átomo, el estado fundamental y el excitado .
Fuente: UCM.

2. Estados de los qubits

Los estados de un qubit se rigen mediante las leyes de la mecánica cuántica, por lo que no se puede conocer su estado hasta que esté medido. Por lo tanto, solo se pueden predecir sus estados mediante probabilidad.

Un qubit puede colapsar uno de los dos estados base o , el estado es la probabilidad de que colapse el valor 0 o de que colapse el 1.

es la probabilidad de que el estado colapse a 0.

Del mismo modo, es la probabilidad de que el estado colapse a 1.

α y β deberán ser números complejos y cumplir la condición:

Los qubits se pueden visualizar en 3 dimensiones utilizando la esfera de Bloch (Figura 2). La esfera de Bloch es una representación de estados en forma de esfera de radio 1. Los estados de un qubit van de φ a θ, dónde φ comprende valores de 0 a 2π, y θ valores de 0 a π.

Figura 2. Visualización de un qubit con la esfera de Bloch. Fuente: Microsoft Docs

El sistema cuántico de n qubits se representa como un vector de 2 elevado a la n qubits. Los cuatro estados 00, 01, 10, o 11, en los que se puede representar un sistema de dos qubits se representan como el producto tensorial ⊗ de los vectores de los dos estados base de un qubit, de modo que:

Un sistema de dos qubits entonces es un vector de la forma:

De la misma forma que anteriormente, tiene que cumplir que:

Por lo que, la combinación lineal de los cuatro estados de dos qubits será:

Donde es la probabilidad de que el qubit se encuentre en |00⟩, es la probabilidad de que se encuentre en |01⟩, etc.

 

La física de los computadores cuánticos

Figura 3. Ordenador cuántico de Google en Santa Bárbara, California. Fuente: CNET.

Las partículas que actúan como qubits tienen que estar perfectamente controladas y ser estables el tiempo suficiente para que puedan ser leídos y escritos. 

El material del que se componen los qubits aún es objeto de estudio, pero por el momento, para controlarlos se utilizan “dispositivos de control”, y los más habituales son trampas de iones o materiales superconductores. 

En las trampas de iones se utilizan campos ópticos o electromagnéticos (incluso ambos) para atrapar iones, formando una malla. Empleando láseres de control, los iones se empujan para entrelazar sus estados de giro mediante sus vibraciones.

Este dispositivo de control, si requiere de muchos qubits, su funcionamiento es muy complejo. En los circuitos de materiales superconductores, a temperaturas muy bajas, cercanas al cero absoluto, no hay resistencia eléctrica y la circulación de electrones prácticamente no se agota. Los qubits, en este caso, se controlan modificando la corriente del circuito.

En este dispositivo, se puede controlar una gran cantidad de átomos, por lo que funciona mejor que las trampas de iones. Las empresas pioneras en computación cuántica, como IBM o Google, están utilizando y desarrollando materiales superconductores para el funcionamiento de sus computadoras cuánticas. Hay otras tecnologías que generan impurezas, o defectos, en materiales de estado sólido y en semiconductores; y algunas que están mucho menos desarrolladas aún, como los sistemas ópticos cuánticos, que usan trampas ópticas que mediante ondas de luz controlan y atrapan fotones.

Se pueden programar circuitos básicos de computación cuántica utilizando JavaScript o Python, pero se están desarrollando también nuevos lenguajes de programación, como QCL (Quantum Computing Language), Q# o OpenQASM (Open Quantum Assembly Language).

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Repercusiones y aplicaciones de la computación cuántica

La computación cuántica es posible que sea el próximo gran avance en informática y nos abra las puertas al infinito. Los superordenadores en el futuro seguramente dejen obsoletos a los ordenadores que utilizamos hoy. 

En el caso de la computación cuántica, se espera que no reemplace a los ordenadores convencionales, y aunque funcionaría de un modo similar a un superordenador, podría procesar datos y realizar cálculos complejos de manera casi instantánea.

  • Los ordenadores cuánticos podrían revolucionar los dispositivos de almacenamiento ya que serían capaces de almacenar cantidades enormes de datos en muy poco espacio. También afectarán directamente al diseño de redes seguras y a la transmisión de datos.
  • La computación cuántica podrá optimizar el tráfico de una ciudad y los procesos logísticos y de distribución a gran escala de las empresas. Tendrá aplicaciones en física o en la resolución de procesos químicos como el análisis de las posibles estructuras de moléculas complejas.
  • En medicina se utilizará para estudiar los nuevos tratamientos para enfermedades o para ver formas óptimas de tratar a un paciente.
  • En los mercados financieros ya se hace uso directo de superordenadores, pero en algunos casos son demasiado lentos, por lo que podría ser una de las primeras aplicaciones de la computación cuántica así como los proyectos de diseño e ingeniería complejos.
  • También se espera que la computación cuántica tenga repercusión en el campo de las criptomonedas, por lo que habrá que encontrar nuevas formas de cifrado que una computadora cuántica no sea capaz de resolver.

Hoy en día, los límites de la computación cuántica son nuestra imaginación. No obstante, dada la gran capacidad de cálculo de un ordenador cuántico, es posible que esto afecte a los mecanismos de seguridad de red que tenemos actualmente, ya que muchos métodos de cifrado que se emplean en algoritmos son muy potentes para un ordenador convencional, pero probablemente para los ordenadores cuánticos sean cálculos fáciles de descifrar. 

 

Referencias:

https://quantum-computing.ibm.com/

https://docs.microsoft.com/en-us/quantum/concepts/the-qubit?view=qsharp-preview

https://www.nap.edu/read/25196/chapter/7#122

https://www.researchgate.net/publication/337758188_Computacion_cuantica_Aplicaciones_practicas_que_la_computacion_clasica_no_puede_solucionar

https://www.nap.edu/read/25196/chapter/3#16

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5

 

Autora: Beatriz Varona

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