Computación cuántica: significado, ventajas y más

¿Confundido por toda esa charla de computación cuántica y ansioso por entender de qué se trata? Aquí hay una introducción para principiantes.

Cuántico informática es la aplicación de los principios de la mecánica cuántica en la realización de cálculos. Los fenómenos básicos empleados aquí son enredo y superposición.

Si bien la computación cuántica es una palabra de moda relativamente nueva, la mecánica cuántica existe desde hace mucho más tiempo. Fue responsable de importantes desarrollos en la industria electrónica y, además, ofrece respuestas a muchos de los misterios de la humanidad.

La mecánica cuántica se centra en cómo funcionan los átomos y las partículas subatómicas, mientras que la palabra cuántica se refiere a la partícula más pequeña con la que se puede trabajar. Ese es el bloque de construcción más básico de cualquier objeto físico.

Desde Max Planck hasta Albert Einstein, Neils Bohr y Erwin Schrödinger, muchos grandes científicos participaron en el desarrollo de la mecánica cuántica y su culminación final en la carrera de la computación cuántica, una de las carreras tecnológicas más importantes de nuestro tiempo.

Esta publicación te lleva al mundo mágico de los fenómenos cuánticos, te muestra cómo hacer una computadora a partir de él y explora sus campos relacionados.

Acción espeluznante a distancia

Los fenómenos cuánticos desafían la comprensión convencional y funcionan en términos completamente diferentes a los de la física clásica. Entonces, en la década de 1930, Einstein usó las palabras "acción espeluznante a distancia" para describir el fenómeno del entrelazamiento cuántico y cómo no encaja en la ciencia convencional.

El entrelazamiento cuántico no es nada nuevo. Si crea dos partículas en el mismo lugar e instantáneamente, entonces se enredan. Lo que significa que, pase lo que pase con uno, afecta al otro.

Es como enamorarse y recibir una llamada cada vez que piensa en su amante. O hacer una llamada y escuchar "Estaba a punto de llamarte". También se sabe que los gemelos idénticos se enferman al mismo tiempo.

La parte más espeluznante del entrelazamiento cuántico es que puedes llevar una de las partículas entrelazadas lejos. Y sean cuales sean las condiciones a las que lo someta, afectará a la segunda partícula instantáneamente, incluso a media galaxia de distancia.

Las computadoras cuánticas emplean esta propiedad para almacenar grandes cantidades de información en múltiples partículas a la vez. Estas partículas se denominan qubits o bits cuánticos, pero primero, un vistazo al segundo fenómeno mecánico cuántico.

Erwin Schrödinger y su gato

Otro de los primeros investigadores cuánticos fue el físico austriaco Erwin Schrödinger, quien, como Albert Einstein, también encontró ridículas partes de los fenómenos cuánticos. Entonces, se le ocurrió el ahora famoso experimento mental llamado "El gato de Schrödinger" para visualizar la paradoja de la superposición cuántica.

Sin embargo, este experimento establece que si pones un gato y algo que podría matar al gato en una caja y la sellas. No sabría si el gato estaba vivo o muerto hasta que abriera la caja. Entonces, lógicamente, el gato estaba vivo y muerto hasta que abres la caja.

La superposición es el segundo fenómeno que hace posible la computación cuántica. Donde las computadoras clásicas trabajan con bits de información que pueden representar 1 o 0 en un momento dado, las computadoras cuánticas funcionan con qubits (bits cuánticos) que pueden representar tanto 0 como 1 al mismo tiempo, al igual que el gato que estaba muerto y viva.

Aquí hay una mirada más cercana a los qubits.

El bit contra el Qubit

El qubit es lo que hace posible la computación cuántica. También conocido como bit cuántico o qbit, un qubit es la unidad más pequeña de energía que puede manipular para guardar y recuperar información.

Un bit de computadora normal solo puede ser 0 o 1 en un momento dado. Mientras que un bit cuántico puede ser ambos al mismo tiempo. Por lo tanto, dos bits regulares pueden contener 00, 01, 10 y 11 en cualquier momento. Pero dos bits cuánticos pueden contener los cuatro estados al mismo tiempo. Esto significa ciclos de cálculo 4 veces más rápidos.

Con 3 bits regulares, puede obtener 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 y 111 en cualquier momento. Pero 3 qubits mantendrán los ocho estados al mismo tiempo, lo que le proporcionará ciclos de cálculo 8 veces más rápidos. Como puede ver, esta relación es exponencial, luego cada bit adicional duplica la cantidad de información disponible.

Entonces, con 5 qubits, está viendo 32 estados simultáneos, con 10 qubits es más de 1,000 estados, y con 20 qubits, más de un millón. Ahora, considere cuántos estados Computadoras cuánticas de 1,000 qubit que IBM y Google están desarrollando pueden sostenerse simultáneamente.

Puedes hacer qubits desde fotones, electrones, núcleos atómicos, puntos cuánticos, superconductoresy otras implementaciones. El objetivo es crear una colección estable de bits cuánticos de energía que pueda configurar y medir convenientemente a voluntad.

Ventajas de la Computación Cuántica

La principal ventaja de la computación cuántica son los resultados instantáneos de problemas complejos. Esto ocurre principalmente en situaciones en las que debe elegir la respuesta correcta entre muchas posibilidades. Y esto los hace excelentes para la factorización numérica, las simulaciones a gran escala y el reconocimiento de patrones en inteligencia artificial.

El enfoque estándar para las computadoras clásicas es investigar cada posibilidad hasta que encuentre lo que está buscando. A menudo llamada aguja en una búsqueda en un pajar, la cantidad de tiempo que llevará esta operación depende de la cantidad de heno o registros que tenga que tamizar. Y sobre la velocidad de su máquina.

Las supercomputadoras facilitan estos problemas al aumentar la velocidad de verificación de cada posibilidad. Las computadoras cuánticas, por otro lado, pueden generar todas las posibilidades simultáneamente, si hay suficientes qubits disponibles. Es por eso que pueden calcular problemas en unas pocas horas que las computadoras normales tardarán cientos o miles de años en calcular.

Problemas y limitaciones de la computación cuántica

Si bien puede medir bits fácilmente en una computadora clásica, medir un qubit destruye su estado y el de sus qubits entrelazados.

Además, los bits clásicos están hechos de una amplia gama de materiales semiconductores que solo tienen que mantener una carga (1) o no (0). Sin embargo, los Qubits son mucho más complejos y difíciles de implementar. Y además de aislar espacialmente un qubit, debe protegerlo de las interferencias ambientales, como la temperatura y las fluctuaciones electrostáticas. Porque cambios ambientales tan pequeños también corromperán a estos estados.

Esta pérdida de entrelazamiento o equilibrio del sistema se llama decoherencia cuántica y es el principal problema que la mayoría de los investigadores están tratando de resolver. Es tan severo que la próxima máquina de 1,000 qubits de Google necesitará hasta 1,000 qubits para la corrección de errores de cada qubit. Por lo tanto, es una máquina de 1 millón de qubits.

También significa que actualmente no puede manejar una computadora cuántica como lo haría con una computadora portátil o un teléfono inteligente. La computadora necesita condiciones de laboratorio para mantener un nivel seguro de estabilidad para sus qubits.

Otro inconveniente es el alcance limitado de la llamada supremacía cuántica, porque no todos los problemas informáticos implican grandes volúmenes de números o posibilidades. Entonces, el impulso computacional en la mayoría de las otras operaciones es demasiado insignificante para justificar un enfoque de computación cuántica. Y a menos que las computadoras cuánticas terminen siendo más baratas que las computadoras clásicas, tampoco las reemplazarán en el corto plazo.

A pesar de todos estos inconvenientes, las computadoras cuánticas y sus qubits tienen un gran potencial en la industria de la computación debido a la gran cantidad de números que pueden manejar con facilidad.

¿Existen peligros con la computación cuántica?

Si. Todo buen hacker sabe que toda tecnología tiene una laguna jurídica. Sólo tienes que encontrarlo. Entonces, sin importar las implementaciones reales de las computadoras cuánticas en el futuro, todavía habrá problemas con la tecnología. Y actores dispuestos a sacar provecho de ellos.

Este escenario se refiere a usos como banca, finanzas, gobierno y actividades públicas similares. Un segundo escenario es cuando un actor malintencionado emplea el asombroso poder de una buena computadora cuántica para realizar una hazaña. Y, como siempre, la gente sólo se dará cuenta de esa posibilidad después de que se haya realizado la acción.

La computación cuántica funciona bien con los números. Por lo tanto, los algoritmos de cifrado asimétrico que utilizan factorización, como el RSA de clave pública, no son seguros. El hash y la criptografía simétrica, como AES-256 y 512, así como SHA-256 y 512, por otro lado, son relativamente seguras.

Otras aplicaciones de la mecánica cuántica

A pesar de lo emocionante que es el mundo de la computación cuántica, sigue siendo solo una parte de la mecánica cuántica. Entonces, en otras palabras, la fiesta cuántica recién está comenzando.

La mecánica cuántica ha sido fundamental en el desarrollo de semiconductores y electrónica moderna. También se está trabajando para las redes cuánticas y la criptografía, como la que se basa en Suiza. ID pionera en criptografía cuántica Quantique. Además, los fenómenos cuánticos también se han mostrado prometedores en numerosos campos de investigación, incluida la fotosíntesis, los receptores del olfato e incluso nuestra comprensión del tiempo.

Computadoras cuánticas del mundo real

Hay muchas computadoras cuánticas y aplicaciones similares por ahí. Vienen de grandes multinacionales como Google e IBM, así como de gobiernos e incluso de actores más pequeños como Rigetti.

La computación cuántica es actualmente una de las áreas de investigación más candentes del planeta. Así que probablemente haya más programas secretos de los que puedas imaginar. A continuación se muestran algunos proyectos importantes:

  • Google posee máquinas de 54 qubit y 72 qubit
  • IBM posee más de 30 máquinas repartidas por todo el mundo, incluida la Manhattan de 65 qubit
  • China es el hogar de muchas computadoras cuánticas, incluida una máquina de 76 qubits e incluso comunicaciones satelitales cuánticas.
  • La máquina Sycamore de 54 qubits de Google tardó solo 200 segundos en calcular lo que las supercomputadoras necesitarían 10,000 años para calcular.
  • IBM está desarrollando una máquina de 1,000 qubits para 2023
  • Rigetti Computing posee cuatro, incluida una máquina de 31 qubit
  • Google está construyendo un nuevo centro cuántico para crear una computadora de 1,000 qubits para el año 2029. Al factorizar la corrección de errores, el total de qubits de esa computadora podría llegar a 1 millón.

Conclusión

Las computadoras cuánticas llegaron para quedarse. Ya que crearán muchas oportunidades y resolverán problemas del mundo real con los que las computadoras clásicas han luchado durante décadas.

Sin embargo, todavía queda mucho trabajo por hacer y desafíos que superar antes de que lleguemos allí. Y hasta entonces, China podría sorprender al mundo.

Nnamdi Okeke

Nnamdi Okeke

Nnamdi Okeke es un entusiasta de la informática al que le encanta leer una gran variedad de libros. Tiene preferencia por Linux sobre Windows/Mac y ha estado usando
Ubuntu desde sus inicios. Puedes atraparlo en twitter a través de bongotrax

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