Abstract—This paper attempts
to address an issue of great boom today as quantum computing is
presented at summary characteristics of the subject,
peculiarities of hardware and software on a quantum computer,
problems and issues that generate the implementation of a quantum
system and the projection into the future of this new
technology.
Keywords—Quantum computer,
Qubit, Superposition, Entanglement, Quantum algorithms, Quantum
cryptology.
Resumen—El presente trabajo
intenta abordar un tema de gran auge en la actualidad como lo es
la computación cuántica presentando;
características resumidas de dicho tema, peculiaridades de
hardware y software en un computador cuántico; problemas e
inconvenientes que generan la aplicación de un sistema
cuántico y la proyección hacia futuro de esta nueva
tecnología.
Palabras claves— Computador
cuántico, Qubit, Superposición,
Enmañaramiento, Algoritmos cuánticos, Criptologia
cuántica.
Introduccion
Desde la aparición del transistor el avance
tecnológico de la computación ha ido creciendo
rápidamente iniciando con el cálculo de simples
operaciones matemáticas (suma, resta multiplicación
etc.) hasta llegar a controlar los procesos de fabricación
más estrictos que se pueda imaginar.
En la actualidad la competencia entre diferentes
empresas e institutos ha llevado a innovar y generar nuevos
productos; desarrollando chips en miniatura compuestos por
millones de transistores que son capaces de controlar miles de
operaciones dentro de un ordenador, pero dichos chips
están llegando a su límite de
tamaño.
Todo esto genera una gran incertidumbre; de si los
transistores podrán trabajar de una manera ideal a escala
manométrica. Entre más pequeño sea
transistor más cerca está de entrar en el mundo
cuántico; un lugar donde las leyes de la física
clásica pierden validez y entrar a regir la física
cuántica. Todo esto ha generado que diferentes
compañías, universidades e institutos; investiguen
sobre esta nueva tecnología de la computación
cuántica.
Características
Como sabemos muchos chips se encuentran a escalas
manométricas; el nanómetro es la millonésima
parte del metro y un átomo es la quinta parte de esta
escala, llegando a lo que se conoce como
nanotecnología.
En la siguiente figura observamos múltiples
tamaños correspondientes a diferentes unidades de medida
con referencia al mundo biológico. Tomamos como punto de
partida al transistor (1970), llegando a una escala
atómica en donde encontramos iones cuánticos,
puntos cuánticos que serán manipulados para el
procesamiento de información cuántica.
[13]
Figura1. Escala en nanómetros de
algunos elementos (Imagen tomada de:
www.amcancun.com/OCTUBRE-2011.php)
2.1. Qubit
En la información clásica
(electrónica digital) en la cual se basa los sistemas
actuales; la información se procesa mediante el bit
clásico es decir una señal puede tomar el valor de
0 (apagado) o 1(encendido).
Figura 2. Representación
gráfica de un Qubit.( Imagen tomada de:
http://tecno-byte.net/2231-desarrollo-de-procesador-cuantico-con-arquitectura-von-neumann/
)
Por otra parte en información cuántica la
información se procesa mediante bit cuánticos o
qubit (unidad mínima de información) cuyos valores
pueden ser 0 o 1 o los dos al mismo tiempo; es decir la
formación se puede encontrar entre estos márgenes
de valores. (Ac'in, 2006; Vargas y Bedoya, 2009).
[13,1]
2.2 Compuertas cuánticas
El proceso de las compuertas cuánticas es muy
parecido a las actuales con la diferencia de que dichas
compuertas trabajan con qubits.
2.3 Superposición
Es la capacidad de un objeto cuántico de
interactuar en dos o más posiciones cuando se encuentra en
un estado cuántico. Cabe mencionar que esto no hace
referencia a que el qubit va a estar en dos posiciones a la vez.
[10]
Dicho de otra forma; cuando el estado cuántico de
un átomo cambia, el átomo aparecerá en una
posición o en otra, nunca en ambas al mismo
tiempo.
2.4 Enmarañamiento o
Entanglement
También conocido como entrelazamiento
cuántico; Si dos partículas (A y B) se crean en un
mismo proceso; estas permanecerán relacionadas entre
sí, es decir si sucede algún cambio en el estado de
la partícula A esto repercutirá a la
partícula B.
2.5 Teleportación
En la computación clásica para transmitir
la información, los bits son copiados y enviados por
diferentes medios de transmisión.
En la computación cuántica esto no es
posible dado que cualquier intento para medir dicha
información produce una pérdida de la misma que no
puede ser recuperada. Esto puede ser solucionado con la ayuda del
entrelazamiento cuántico es decir un receptor
estará enredado con un qubit el cual luego será
quitado produciendo un cambio de estado a cualquiera con el que
este enmarañado consiguiendo así como el de la ley
de aeropuertos del sureste contra los transmitir al receptor la
información.
Cuanto más grande es un colisionador, más
detalles se pueden obtener sobre los procesos que sucedieron al
origen del universo.
Hardware y Software
Hardware
El desarrollo de un hardware adecuado para el computador
cuántico sigue siendo un problema. Dicho hardware
tendrá la capacidad de resolver problemas similares a los
de un ordenador clásico pero de manera muy eficiente y en
un tiempo relativamente corto, dado a su procesamiento de
información masiva.
3.1.1 Requisitos que debería
cumplir
• Inicialización del sistema (partir de un
estado controlado).
• Deberá poder manipular los qubits mediante
el uso de operaciones compuestas por compuertas lógicas
cuánticas.
• El sistema será capaz de mantener una
coherencia.
• Leer los resultados finales de los
cálculos realizados.
• Manejar un sistema escalable; forma de aumentar
los qubits para tratar con problemas más
complejos.
3.1.2 Procesadores
Figura 3. Procesador cuántico
de estado sólido.(http://www.pdm.com.co/Noticias/
2011/Septiembre/06/Computador_cuantico_con_arquitectura_Von_Neumann.htm)
La creación de un procesador es todo un reto dado
que los investigadores deberán poder controlar los
diferentes estados de los qubits; para ello se emplea diferentes
métodos por una parte tenemos la utilización de
láser y por otra campos magnéticos.
Dichos qubits deben estar aislados del mundo
macroscópico impidiendo que interactúen con el
mundo exterior dado que esto afectaría a las propiedades
cuánticas del sistema y generaría de coherencia
haciendo difícil mantener estados de
superposición.
3.2 Software
3.2.1 Algoritmos
cuánticos
• Algoritmo de Shor
Es una algoritmo muy potente que sirve para factorizar
(descomponer) un numero de N en un tiempo relativamente corto en
comparación a los sistemas actuales. [5]
Ejemplo: Si se pide descomponer un numero de 128
caracteres en sus factores, a un ordenador clásico esto
tomaría varios años pero con la ayuda de un
ordenador cuántico esto tomara unas horas.
• Algoritmo de Grover
Permite encontrar un elemento, en un conjunto
desordenado de tamaño N, de manera sumamente eficiente en
un corto tiempo. [6]
Ejemplo: Es como decir que nos piden buscar el nombre de
una persona en una guía telefónica teniendo como
dato el número telefónico. Esta analogía da
a entender el algoritmo de Grover.
3.2.2 Criptografía
cuántica
La cristología es la forma de escribir
secretamente la información en la actualidad muchos
instituciones utilizan este sistema para protección de
datos como bancos, instituciones gubernamentales
etc…
La cristología cuántica se encarga de
realizar el intercambio de claves en base a fotones los cuales
son enviados al receptor mediante fibra óptica, si alguien
deseara medir dicha información esta desaparecería
y el sistema informaría de lo sucedido. [4]
3.2.3 Codificación cuántica
correctora de errores.
Como se sabe la mayoría de sistemas están
constantemente sometidos a ruido de diferente origen (el
interactuar con el entorno, no aplicar correctamente las puertas,
entre otros); todo esto produce errores en las superposiciones de
estado, dado que son muy sensibles a estas alteraciones.[
14]
Cabe mencionar que fue Shor quien introdujo el primer
código que se encargaría de corregir errores
cuánticos, en principio se creía que era imposible
corregir errores cuanticos.
Los erros que aparecen pueden darse de una forma externa
o interna. Los internos pueden aparecer incluso sin
interacción con el entorno; estos son producidos por el
mal funcionamiento de hardware.
Exciten diferentes tipos de errores:
Errores de hardware
Su origen radica en las imperfección al aplicar
las puertas.
Errores de Lectura de datos al final del
proceso
Hace referencia a las incertidumbres que se encuentran
asociadas a las perturbaciones incontables.
Además de darse los errores internos se producen
los externos dado que todo el sistema no va a encontrarse
completamente aislado de exterior.[14]
La creación de QECCs (Quantum Error Correcting
Codes) sirve para corregir algún error que presente un
qubit. Cada día se avanza más en la creación
de códigos correctores de errores más complejos y
eficaces con la finalidad de optimizar el sistema
cuántico. [5]
Proyección
Hacia Al Futuro
En un promedio de 30 años los computadores
cuánticos serán tan normales en los hogares como lo
son los de sobremesa actual, pero antes de llegar a ese
día los científicos asumirán el reto de
seguir desarrollando nueva tecnologías que les permitan
manipular y estabilizar estos sistemas tan sofisticados evitando
que interactúe con el mundo y genere problemas de
coherencia. [13]
El computador cuántico tiene un gran porvenir en
cuanto a aplicaciones de seguridad, transferencia de datos,
etc… Por otra parte dicho desarrollo es un carrera contra
el tiempo dado no solo puede ser aplicado para generar seguridad
sino también a destruirla es decir utilizar estos sistemas
para el robo datos, decodificación de información
de clasificada, o ser utilizados por organizaciones secretas con
un el fin generar inestabilidad en la sociedad en la que se vive
actualmente produciendo desconformidad en la misma.
Conclusiones
El computador cuántico sin duda tiene un gran
ventaja ante los computadores clásicos en cuanto al
procesamiento de información masiva en cortos espacios de
tiempos; siendo capaz de factorizar números extremadamente
largos, basándose en sus características más
relevantes de enmarañamiento, superposición y tele
portación. Sin embargo aún se carece procesadores
capaces de manejar un gran número de qubits; todo esto
está llevando a que la estructura de Hardware y Software
sea parte fundamental para la producción en masa de los
mismo.
Para finalizar cabe mencionar que toda tecnología
genera una dependencia de la misma a más de eso es de
imaginarse dichas computadoras no serán utilizadas solo
para fines sociales o científicos; sino también
para fines como robos a bancos o propósitos
militares.
"La barrera barrera que se opone a este desarrollo no es
tecnológica sino teórica."
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Autor:
P.M. Lucero
Universidad Politécnica
Salesiana
Campus el Vecino