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Computadores Cuánticos




Enviado por jpena



    Indice
    1.
    Introducción

    2. Computadores
    Cuánticos

    3. Conclusiones

    1.
    Introducción

    A lo largo del último medio siglo, las computadoras
    han ido duplicando su velocidad cada
    dos años, al tiempo que el
    tamaño de sus componentes se reducía a la mitad.
    Los circuitos
    actuales contienen transistores y
    líneas de conducción cuya anchura es sólo
    una centésima parte de la de un cabello humano. Las
    máquinas de nuestros días son
    millones de veces más potentes que sus rudimentarias
    antepasados a causa de tan explosivo progreso.

    Figura 1.- Desde el principio hasta el presente: A la
    izquierda una máquina de engranajes, a la derecha un chip
    de la IBM de 0.25 micras. La versión producida por la IBM
    contiene 6 millones de transistores.

    El incremento del poder de las
    computadoras
    se debe esencialmente a la miniaturización incesante del
    componente más elemental de la
    computadora, el transistor.
    Cuando los transistores se reducen de tamaño y se logran
    integrar en un solo microchip se incrementa el poder
    computacional. Sin embargo, las técnicas
    de integración de microcircuitos están
    empezando a tropezar con sus límites.

    Mediante técnicas
    litográficas avanzadas podrían producirse elementos
    cien veces menores que los hoy disponibles. Pero a tal escala, en la que
    la materia se
    presenta como una muchedumbre de átomos disgregados, los
    circuitos
    integrados apenas consiguen funcionar. Al reducir la escala diez veces
    más, los átomos manifiestan ya su identidad
    individual, y basta un solo defecto para provocar una
    catástrofe. Por consiguiente, si se pretende que las
    computadoras del futuro reduzcan su tamaño, será
    preciso que la técnica de uso se reemplacé o
    complemente con otras nuevas.

    La ciencia de la
    computación en busca de una alternativa
    más allá de la tecnología del
    transistor, ha
    iniciado el estudio de la mecánica cuántica y su aporte para
    la creación de nuevas computadoras. Es así como han
    surgido las disciplinas: Nano-Computación y Computación
    Mecánico-Cuántica.

    Figura2.- La transición de microtecnología
    a nanotencología. Según la física
    clásica, no hay manera de que los electrones puedan llegar
    desde el "Source" al "Drain" debido a las dos barreras que se
    encuentran al lado del "Island" pero la estructura es
    tan pequeña que los efectos de la cuántica ocurren,
    y los electrones pueden bajo ciertas circunstancias romper la
    barrera del túnel.

    Como se muestra en la
    Figura2, hay formas de rediseñar los transistores para que
    trabajen usando efectos cuánticos. Pero podría ser
    mejor dejar la idea de transistores y usar una nueva arquitectura
    completamente nueva que sea más adecuada al utilizar los
    principios de
    la mecánica cuántica. En la Figura 3,
    se presenta una idea de esta arquitectura.

    Figura 3.- Una alternativa es utilizar nuevos tipos de
    transistores. La Figura muestra como un
    circuito particular llamado "semi-sumador" pude crearse de un
    modelo
    compuesto de dos tipos de células.

    Las nano-computadoras tendrán componentes cuyo
    funcionamiento se rigen por los principios de la
    mecánica cuántica, pero los algoritmos que
    ellas ejecuten probablemente no involucren un comportamiento
    cuántico; mientras que las computadoras cuánticas
    buscan una posibilidad más excitante, usar la
    mecánica cuántica en un nuevo tipo de algoritmo que
    sería fundamentalmente más poderoso que cualquier
    otro esquema clásico. Una computadora
    que puede ejecutar computadora
    que pueda ejecutar este tipo de algoritmo
    será una verdadera computadora cuántica.

    Un Computador
    Cuántico es un nuevo dispositivo fantástico que
    puede resolver ciertos problemas
    importantes muy eficazmente. Un computador
    cuántico proporciona paralelismo masivo aprovechando la
    naturaleza
    exponencial de la mecánica cuántica. Un computador
    cuántico puede almacenar una cantidad exponencial de
    datos, y
    realizar un número exponencial de operaciones
    usando recursos
    polinomiales. Este paralelismo cuántico no es fácil
    de aprovechar. Sin embargo, unos algoritmos
    cuánticos descubiertos en 1993 (Algoritmo de Shor) han
    creado un interés en
    el potencial de las computadoras cuánticas.

    La construcción de un computador
    cuántico funcional a opuesto una resistencia
    diabólica. El problema estriba en que cualquier
    interacción que un sistema
    cuántico tenga con su entorno, piénsese en el
    choque de un átomo
    contra otro o contra un fotón errante, constituye una
    medición. La superposición de
    estados mecánicos cuánticos se resuelve en un solo
    estado bien
    definido; y éste es el que el observador detecta. Dicho
    fenómeno de descoherencia, así se llama,
    imposibilita cualquier cálculo
    cuántico. Al objeto de mantener, pues, la coherencia, las
    operaciones
    internas de un computador cuántico deben separarse de su
    entorno. Más, a la vez, han de ser accesibles para que
    puedan cargarse, ejecutarse y leerse los
    cálculos.

    Pese a todo, no será fácil conseguir un
    computador cuántico cuyas proporciones le permitan
    competir con los más rápidos de los
    clásicos. Pero el reto merece la pena. Los computadores
    cuánticos, por modestos que sean, se convertirán en
    soberbios laboratorios naturales donde poder estudiar la
    mecánica cuántica. Con semejantes dispositivos y la
    ejecución de un programa
    adecuado, podrán abordarse otros sistemas
    cuánticos que revisten interés
    fundamental.

    Por ironía de las cosas, los computadores
    cuánticos podrían ayudar a científicos e
    ingenieros en la resolución de los problemas que
    se les plantean en la creación de microcircuitos
    ínfimos con transistores mínimos; muestran
    éstos un comportamiento
    mecánico cuántico cuando la reducción de su
    tamaño llega al límite de las
    posibilidades.

    2. Computadores
    Cuánticos

    Un computador Cuántico realiza las operaciones en
    bits cuánticos, llamados qubits. Un qubit al igual que un
    bit clásico puede estar en dos estados, cero o uno. El
    qubit se diferencia del bit clásico en que, debido a las
    propiedades de la mecánica cuántica, puede estar
    simultáneamente en ambos estados. Un qubit que contiene
    los valores
    cero y uno a la vez se dice que está en
    superposición de los estados cero y uno. Este estado de
    superposición es persistente hasta que el qubit es
    externamente medido. Al medir un qubit, su estado se ve forzado a
    tomar un solo valor. Porque
    la medición determina el valor del
    qubis, los posibles estados que existen deben describirse antes
    de realizar la medición en términos de su probabilidad de
    ocurrencia.

    Figura 4.- La Superposición Coherente de bits
    cuánticos (Qubits), permite que un bit posea dos valores (0 y
    1) a la vez.

    La superposición cuántica, permite que un
    registro que
    contiene M qubits pueda representar valores simultáneos. Al realizar un
    cálculo
    usando este registro se
    producen todos los resultados posibles para los valores de entrada
    obteniendo así un paralelismo exponencial. Sin embargo
    para leer los resultados de un cálculo los qubits deben
    ser medidos. Esta medida forza a que el qubit tome un valor
    particular y se destruya el estado
    paralelo (descoherencia). El desafío es entonces inventar
    cálculos cuánticos donde una propiedad
    pueda derivarse del estado paralelo en un tiempo no
    exponencial antes de realizar una medida.

    Figura 5.- Registro de tres qubits.
    Las ocho salidas se obtienen en un mismo instante de tiempo.
    En 1993 un grupo de
    Investigadores: Chales H. Bennet, de IBM; Gilles Brassard, Claude
    Crépeau y Richard Joasza, de la Universidad de
    Montreal; Asher Peres, del Instituto de Tecnología de
    Israel
    (Technion) y William Wootters, del Williams College, descubrieron
    que un rasgo particular pero fundamental de la mecánica
    cuántica llamado enlazamiento (enredo), podía
    utilizarse para superar las limitaciones de la teoría
    del quantum aplicada a la construcción de Computadoras
    Cuánticas y a la Teletransportación.

    Para explicar como funciona este principio supongamos
    que tenemos un par de dados. Lanzamos el par de dados al mismo
    tiempo y obtenemos dos 3. Los lanzamos por segunda vez y
    obtenemos dos 6. A la tercera, obtenemos dos 1. Los resultados
    siempre coinciden. Los dados de este ejemplo funcionan como si
    fueran partículas cuánticas enlazadas. Cada objeto
    es independiente, pero su pareja enlazada logra siempre, de
    alguna forma, generar resultados que coinciden perfectamente con
    los del primer dado. Este comportamiento se ha estudiado
    intensamente con partículas enlazadas reales: pares de
    átomos, iones o protones que se enlazan mediante
    propiedades como la polarización.

    Figura 6.- A la Izquierda dos qubits con enredo y a la
    derecha dos qubits sin enredo.

    Si cada qubit se toma individualmente, A y B tienen
    igual probabilidad de
    ser cero o uno para el par con enredo y sin enredo de qubits. En
    el par enredado si un qubit es medido el valor el valor del otro
    es determinado inmediatamente. Para el par sin enredo el medir un
    qubit no afecta las probabilidades del otro qubit. Este enredo
    (enlazamiento) que puede existir entre cualquiera o todos los
    qubits es la razón para que se necesite un número
    exponencial de amplitudes complejas si se desea representar
    el estado del
    qubit.

    3.
    Conclusiones

    Los computadores cuánticos usarán los
    estados cuánticos del átomo para
    representar la información.
    Diseño
    y Construcción de Coprocesadores de calculo Complejo.
    Retos de la Computación Cuántica:
    Controlar los Estados Cuánticos deseados
    Mantener superposición de estados
    Lectura de los
    resultados
    Los Computadores Cuánticos poseen una Capacidad de
    cálculos Paralelos Naturales y Masivo en espacio y
    tiempo.
    Los computadores cuánticos, proponen un nuevo enfoque para
    encriptación.
    Control absoluto
    de seguridad a nivel
    de comunicación
    Las dificultades de la computación cuántica quedan
    en las mismas leyes de la
    mecánica cuántica que harían que un
    computador cuántico sea realizable.
    La computación cuántica es un campo rico y poco
    explorado en el que aún estamos descubriendo como hacer
    las cosas. 

    Resumen:
    Al rebasar cierta escala de miniaturización, el
    tamaño de los componentes electrónicos se convierte
    en un problema: los conductores atascados y los transistores
    apenas funcionan. Por fortuna, nuevos diseños circuitales
    ultrapequeños, basados en efectos de la Mecánica
    Cuántica, manejan los datos con mayor
    fiabilidad.
    Por muy pequeños que sean los circuitos que
    se logran por las distintas técnicas de
    miniaturización dentro de los chips, todavía son
    enormes agregados de átomos. Nuevas
    tecnologías de Computación (Computación
    Cuántica) podrían operar a
    escalas menores, posiblemente a nivel molecular e incluso
    atómico.
    La Computación Cuántica, presenta una alternativa
    al problema de la miniaturización, mostrando la manera de
    implementar Compuertas Lógico-Cuánticas,
    componentes esenciales para el diseño
    de una Computadora del Futuro. También proporciona otro
    paradigma con
    diferentes rasgos mucho más poderosos (
    Superposición Coherente – Enlazamiento) que los
    establecidos en la Teoría
    Computacional Clásica.

     

     

    Autor:

    Lic. Jesús Peña.

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