Computadoras Cuánticas

Resumen

En este documento se explica como la rama de la
computación se ha ido desarrollando a lo largo de los
años. La informática es una ciencia que avanza con
gran rapidez, así vemos que las computadoras obsoletas de
hoy eran de última tecnología hace pocos
años atrás. Nos introduciremos en el
análisis de las computadoras cuánticas, que
prometen un futuro con máquinas de capacidades
increíbles.

Index
Terms—Cuántico.

Introducción

En estas últimas décadas
hemos observado que el avan- ce tecnológico ha sido
impresionante. El campo de la computación e
informática han sido las que más rápido han
progresado. Hemos visto cada día artefactos de
tecnología innovadora que nos sorprenden con sus
características. Las computadoras cada vez son más
rápidas; y es más frecuente escuchar del inicio de
las computadoras cuánticas. Este tipo de tecnología
revolucionara para siempre el mundo de las infor- mática
por sus grandes capacidades de manejo de información y
velocidad. "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.

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." [1]

DESARROLLO

Historia

Cuando teóricos tales como Richard
Feynmann, del Ca- lifornia Institute of Technology, de Pasadena
(California); Paul Benioff, de Argonne National Laboratory, en
Illinois; David Deutsch, de la Universidad de Oxford, en
Inglaterra, y Charles Bennett, del T.J. Watson Research Center de
IBM en Yorktown Heights (Nueva York), propusieron por primera vez
el concepto de las computadoras cuánticas en las
décadas de

1970 y 1980, muchos científicos
dudaron que alguna vez ese tipo de computadora pudiera resultar
práctica. Pero en 1994, Peter Shor, de AT and T Research,
describió un algoritmo cuántico
específicamente diseñado para factorizar
números grandes y exponencialmente más
rápido que las computadoras convencionales, lo
suficientemente rápido como para burlar la seguridad de
muchos criptosistemas de clave pública. El potencial del
algoritmo de Shor alentó a muchos científicos a
tratar de explotar las capacidades de las computadoras
cuánticas. En los últimos años, varios
grupos de investigación de todo el mundo han alcanzado
progresos significativos en este campo. [2]

Figura 1. El algoritmo de Shor alento a
científicos a investigar y desarrollar computadoras
cuánticas

No hace mucho tiempo, se inició la era digital,
con modelos electrónicos basados inicialmente en tubos de
vacío y luego en transistores. La EDVAC fue la primera
computadora electróni- ca digital, su memoria
consistía en líneas de mercurio dentro de un tubo
de vidrio al vacío, donde se podía almacenar ceros
y unos. El transistor, es el invento que más ha
influenciado en la evolución de las computadoras, este fue
concebido en 1948, por tres científicos en los
laboratorios de Bell. Este contiene un material semiconductor que
funciona como un interruptor. En 1958 Kilby y Noycea, de la Texas
Instrument, inventaron los circuitos integrados, haciendo que las
computadoras fuesen cada vez más pequeñas. A
comienzos de la década de los 80

IBM empezó a desarrollar las computadoras
personales con PC-DOS como sistema operativo, empezando
así una nueva era, donde las computadoras estaban al
alcance de todos. Las computadoras portátiles, las
computadoras vestibles, y los modelos no comerciales que son tan
pequeños como una moneda de un centavo. Actualmente, las
computadoras portá- tiles, los asistentes personales
digitales PDA (Personal Digital Assistant por sus siglas en
inglés) y los teléfonos celulares, se caracterizan
por su reducido tamaño y portabilidad; y. En el futuro,
las computadoras usables ("Body wearable computers" en
inglés), integradas en el espacio personal del usuario o
de la usuaria, reemplazarán a todos los dispositivos
mencionados en el párrafo anterior, y serán tan o
aún mas populares. Estas computadoras requieren
componentes aún más pequeños que los
actuales. [3]

Mecánica
Cuántica

Figura 2. Dualidad

El concepto reducido se refiere aquí a
tamaños a partir de los cuales empiezan a notarse efectos
como el principio de indeterminación de Heisenberg que
establece la imposibilidad de conocer con exactitud, arbitraria y
simultáneamente, la posición y el momento de una
partícula. Así, los principios fundamentales de la
mecánica cuántica establecen con ma- yor exactitud
el comportamiento y la dinámica de sistemas irreversibles.
Los efectos sobre la materia son notables en materiales
mesoscópicos, aproximadamente 1.000 átomos de
composición.

La mecánica cuántica antigua fue fundada
por Max Plankc en el año 1900. Gracias a ella nació
otro tipo de física nece- saria para la moderna
tecnología que vendría a continuación, que
es la tecnología que actualmente usamos. Así
resultó el efecto fotoeléctrico que se utiliza en
las plantas de energía eléctricas para capturar la
luz solar en celdas de silicio, dando lugar a la creación
de las corrientes eléctricas.[13]

Algunos fundamentos importantes de la teoría son
que la energía no se intercambia de forma continua. En
todo intercambio energético hay una cantidad mínima
involucrada, llamada cuanto. El principio de complementariedad de
Bohr dice que aparecen juntas propiedades aparentemente contra-
dictorias. Por ejemplo, un electrón o un fotón son,
al mismo tiempo, una onda y una partícula. Como
partícula, están en un punto determinado del
Cosmos. Pero como onda se extienden por todo el Cosmos, y pueden
estar en cualquier parte. Sin duda, inquietante.
[11][12]

¿Qué es un computador
Cuántico?

Figura 3. Primer computador
cuántico presentado por D-Wave

De acuerdo con Popular Mechanics, una computadora
cuán- tica es aquella que trabaja con unos y ceros, pero
esos números son representados por electrones que alternan
entre un estado de energía aterrizada (0) o excitada (1).
Cada uno de estos bits cuánticos (qubits) logra
suspenderse en una especie de limbo, y actúa como 0 y 1 al
mismo tiempo. En cristiano: en una computadora clásica
cualquier registro de tres bits (101) podría almacenar en
un momento específico sólo una de ocho
posibilidades. Por otro lado, un registro quantum de tres qubits
podría almacenar en un momento específico los ocho
números en una superposición cuántica (000,
001, 010, 011, 100, 101,

110, 111) o 2 a la "n" cálculos, siendo "n" el
número de qubits. Esta propiedad les permite realizar
muchas operaciones distintas en paralelo.[8]

Las computadoras cuánticas son diferentes de las
compu- tadoras tradicionales basadas en transistores. El
principio bá- sico detrás de la computación
cuántica es que las propiedades cuánticas pueden
ser usadas para representar datos y realizar operaciones sobre
los mismos. La computación cuántica se basa en el
uso de qubits en lugar de bits, y da lugar a nuevas puertas
lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos. Una misma
tarea puede tener diferente complejidad en compu- tación
clásica y en computación cuántica, lo que ha
dado lugar a una gran expectación, ya que algunos
problemas intratables pasan a ser tratables. Un modelo
teórico es la máquina cuántica de Turing,
también conocida como computadora cuántica
universal. Son capaces de ejecutar cualquier tarea simplemente
preparándola de modo adecuado. Un procesador de
información puede ser una máquina con una tarea
mucho más específica, tal como realizar operaciones
matemáticas, o adaptar señales eléctricas
para digitalizar sonidos. Las tareas de la mecánica
cuántica computa de manera más eficiente que la
clásica no son todas; de hecho, son una pequeña
parte, cuya aplicabilidad en el fondo es más bien
reducida. [14][16]

Funcionamiento

Este nuevo tipo de computación
utiliza la información codi- ficada en bits
cuánticos o qubits, poniendo en funcionamiento una
teoría que los científicos han estado discutiendo
durante décadas. "Las propiedades especiales de los qubits
permitirán a los ordenadores cuánticos trabajar en
millones de cálculos a la vez, mientras que las
computadoras personales de escritorio pueden manejar un
mínimo de cálculos simultáneos", dijo IBM en
un comunicado. [4]

Las nano-computadoras tendrán componentes cuyo
funcio- namiento se rigen por los principios de la
mecánica cuán- tica, 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 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 poli- nomiales. 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. [5]

Características

Mientras que en la computación que usamos hoy en
día, cada bit puede presentarse en estados alternativos y
discretos a la vez, en la computación cuántica cada
bit llega a estar en múltiples estados en un mismo
instante. Gracias a esto, podremos llegar a reducir
exponencialmente el tiempo emplea- do por los algoritmos
actuales. Existe una arquitectura muy parecida a las que tenemos
actualmente, que ha tenido mucho éxito en el ámbito
teórico y cuya realización depende de la futura
implementación de una computadora cuántica. Algunos
ejemplos desarrollados teóricamente con mucho éxito
son la anteriormente mencionada búsqueda de factores de
números primos, o la búsqueda en bases de datos no
ordenadas. La base teórica de la computación
cuántica se basa en las interacciones del mundo
atómico, así como en futuras implementaciones de
computadoras cuánticas, obteniéndose por el momento
resultados muy alentadores. Para entender esto último
hemos de tener en cuenta que los qubits pueden representar cuatro
números al mismo tiempo (en lógica binaria
sólo se permite un 1 o un 0 para un único bit), de
ahí esta duplicación de capacidad, no sólo
de las memorias o dispositivos de almace- namiento secundario,
sino también del resto de componentes como
microprocesadores, tarjetas de sonido, de video. . . lo que
conllevaría además un aumento de la velocidad de
estos microprocesadores. [6]

Las dos aplicaciones más importantes de la
información cuántica se dan en el dominio de la
criptografía y en el de la computación. Mediante la
criptografía cuántica, es posible enviar y recibir
mensajes cifrados con la total seguridad de una clave
indescifrable. Es más, el procedimiento usado
permitiría detectar sin esfuerzo la presencia de terceros
que intentaran adentrarse en el sistema de transmisión.
[19]

En el cómputo cuántico la unidad
mínima de información es el qubit (quantum bit)
que, a diferencia del bit que sólo puede tomar los valores
0 y 1, se encuentra en una superposición simultánea
de dos estados cuánticos I0> y I1>. Por
extensión, en dos qubits se da una superposición de
los estados I00>, I01>, I10> y I11> y en N qubits se
encuentran simultánea- mente superpuestos 2N estados. Esta
superposición cuántica permite la posibilidad de
realizar un procesamiento paralelo a gran escala. Es decir, la
capacidad operacional de un ordenador cuántico aumenta
exponencialmente con el tamaño del mismo, el número
de qubits.

El estado de un qubit puede verse como un punto en la
superficie de una esfera (llamada esfera de Bloch). En esta
representación los polos de la esfera representan los bits
clásicos "0´´ y "1´´ y todos los
demás puntos son las distintas posibilidades que puede
tomar un qubit.[7]

Figura 4. Tabla de Qubit

Arquitectura
Cuántica

Es muy parecida a la de los ordenadores que actual-
mente conocemos, aunque añade componentes que utiliza la
computación cuántica. La arquitectura que se
propuso estaría formada por una ALU y memoria
cuánticos, y también un planificador. Hay un
aspecto que debe tenerse en cuanta a la hora del desarrollo de la
arquitectura, la corrección de errores. Acualmente se
conoce como realizar escrituras y lecturas en sistemas
cuánticos,para la escritura se realiza una
manipulación de energía para poder escribir 0 o 1,
la lectura sería similar, en cuanto a la corrección
de errores deberá ser tenida en cuanta ya que los sistemas
que trabajan con registros y procesan información son
suceptibles al ruido, lo cual puede modificar bits de forma
aleatoria. Trataremos la arquitectura propuesta por Oskin et al,
la cual esta formada por la ALU cuántica, memoria
cuántica, y un planificador
dinámico.[15]

Los científicos comenzaron a
diseñar un ordenador cuán- tico basado en un
sistema de muchos registros de pequeño tamaño que
estarían unidos entre sí. De esta forma crearon un
método revolucionario basado en un concepto formulado por
los físicos teóricos Ignacio Cirac y Peter Zoller.
Ambos son considerados eminencias en los ámbitos de los
átomos fríos, la óptica cuántica y la
información cuántica, y en la base de sus
investigaciones se encuentra el empleo del mundo
microscópico para construir ordenadores cuánticos y
sistemas de comunicación.[18]

Actualmente

La comunidad científica todavía debate si
alguna vez se podrá construir una verdadera computadora
cuántica. Pero la compañía lD-Wave avanza
con rapidez. Ya se ganó al principal fabricante de armas
del Pentágono y ahora recibió otro enorme respaldo:
una colaboración a tres bandas entre la agencia espacial
estadounidense, la NASA, Google y la Universities Space Research
Association (USRA) para adquirir la segunda computadora D-Wave
Dos. D-Wave Systems, una firma con sede en Canadá,
adquiririó prominencia en 2007 cuando sorprendió a
la comunidad científica al anunciar que había
construido la primera computadora cuántica del mundo. La
noticia fue recibida con escepticismo y críticas,
particular- mente de científicos que querían
pruebas publicadas, evaluadas por sus pares, antes que un mero
anuncio público. Desde entonces, sin embargo, D-Wave no
sólo ha publicado literatura científica al
respecto, sino que ha ganado importantes clientes. [9]

Los ordenadores cuánticos aprovechan
las extrañas propiedades de la mecánica
cuántica de los átomos y otros bloques de
creación del cosmos. A escala diminuta, el universo se
convierte en un lugar borroso y surrealista. Los objetos
aparentemente pueden existir en más de un lugar al mismo
tiempo o girar en direcciones opuestas al mismo
tiempo.[10]

Computadora cuántica de diamante

El diamante es una piedra preciosa que a lo largo del
tiempo ha sido bastante condicionada por su valor industrial y
orna- mental. Recientes investigaciones demuestran que este
mineral posee tiempos de decoherencia del orden de una hora. Esto
lo convierte en un material crítico que servirá
como bloque de construcción de la nueva tecnología,
denominada ingeniería cuántica. La idea de utilizar
el diamante es bastante simple: consiste en emplear un sistema de
dos espines nucleares, formado por un núcleo de
nitrógeno implantado en el centro del diamante, y una
vacante en una posición vecina, inmediata al
nitrógeno, en una red de cadenas nucleares.
[20]

Teletransportación
cuántica

Figura 5. Teletransportación
cuántica

Gracias a una tecnología híbrida, es
posible realizar una transmisión muy fiable de bits
cuánticos fotónicos, como se ha demostrado en un
experimento cuyos resultados han sido analizados cuidadosamente.
En la teleportación cuántica se transfieren estados
cuánticos arbitrarios desde un emisor, hasta un receptor,
que está alejado en el espacio. Esto requiere que
inicialmente compartan un estado de entrelazamiento cuán-
tico a través del espacio que les separa, un
entrelazamiento cuántico que puede por ejemplo estar en la
forma de fotones entrelazados cuánticamente. El concepto
de entrelazamiento cuántico fue formulado por primera vez
por Erwin Schrödin- ger, y describe una situación en
la que dos sistemas cuánticos, como por ejemplo dos
partículas de luz, están en un estado conjunto, por
lo que sus comportamientos son mutuamente dependientes a un nivel
mayor del que es posible normalmente (bajo condiciones
clásicas). En el experimento de Tokio, se consiguió
el entrelazamiento continuo mediante la estrategia de entrelazar
muchos fotones en "parejas". [17]

Conclusiones

En la actualidad las computadoras cuanticas disponen de
un número limitado de qubits para resolver problemas. Sin
embargo el desarrollo en este campo permitirá en un futuro
contar con computadoras con un mayor número de
qubits.

Los continuos avances en las realizaciones
prácticas de los diferentes modelos teóricos
parecen indicar que el ordenador cuántico estará
entre nosotros antes de lo que podíamos creer, pero
aún así, es difícil aventurarse a dar una
fecha aproximada. El propio Cirac, en una entrevista a ABC ha
apuntado que es muy posible que aún se tarde varias
décadas. [7]

Conforme la miniaturización de los componentes de
la computadora continúe, llegará el momento en que
los fenó- menos que estudia la física
cuántica tengan que ser tomados en cuenta en la
construcción de nuevas computadoras. En este sentido, la
miniaturización en base a los componentes actuales tiene
un límite definido por la aparición de estos
fenómenos. Una alternativa para este problema es el
aprovechamiento de la interferencia cuántica para
construir un nuevo tipo de computadora: el computador
cuántico, que haga uso de nuevos algoritmos y nuevos tipos
de "hardware". El trabajo teórico permite suponer que es
posible construir este tipo de computador, y de hecho ya se han
inventado los primeros algoritmos. Sin embargo, aunque se han
hecho experimentos alentadores utilizando electrones y
moléculas; el fenómeno de la "decoherencia" no ha
podido ser resuelto satisfactoriamente por lo que la
realización práctica de la nueva computadora re-
sulta aún un tanto incierta, aunque algunos
científicos piensan que antes de 10 años se
podrá contar con el primer procesador cuántico.
[16]

Bibliografía

[1]Sergi Vela
Llausí/Computación
Cuántica/Espectroscopía, Fotoquímica y
Lasers-Curso 2008/2009

[2]Ciencia y Tecnología/computo
cuántico/disponible en:

http://cecytemvalledechalcosolidaridad.weebly.com/historia–
de-la-computacion-cuantica.html

[3]Andrés Mauricio Gonzalez
Sepulveda/Computación cuántica. Introducción
a la ingeniería/Fundación Universitaria San
Martín

[4]Artículo Diario
Informador-México/tecnología/IBM avanza hacia una
computadora cuántica, próxima revolución
informática

[5]Lic. Jesús
Peña/Monografías/Computadores
Cuánticos

[6]Eduardo Alvarado Sanchez, Javier Corral
García, Eduardo de la Montaña
Gutiérrez/Computación cuánti-
ca/Epistemowikia

[7]¿Qué es la
Computación Cuántica?/publicado 11-02-13 en Los
Mundos de Brana [8]Informática
Cuántica/disponible

en:
http://informaticacuantica.comule.com/index.html

[9]Sharon Weinberger/artículo BBC
Future/Por qué Google y el Pentágono quieren
computadoras cuánticas

[10]Charles Choi/Google y la NASA lanzan el
Laborato- rio de IA de Computación
Cuántica/publicado 20-05-13/MIT Technology
Review

[11]La mecánica cuántica/
disponible en:

http://www.mecanicacuantica.com/introduction.htm

[12]Astronomía/Los princípios
cuánticos/ disponible en:

http://www.astromia.com/astronomia/principioscuanticos.htm

[13]Otto Nuñez/Mecánica
cuántica: curiosidades y conse- cuencias/PUBLICADO EL JUL
18, 2013/ojocientífico.com

[14]Definición de computadora
cuántica/alegsa/disponible en:
http://www.alegsa.com.ar/Dic/computadora
%20cuantica.php

[15]Luis Manuel Correas Ramos, Miguel
Bonilla Rosado, Abel Bravo Vicente/Computadores
Cuánticos/Epistemowikia

[16]Nasser Darwish
Miranda/Computación cuántica/Universidad de La
Laguna/disponible en: http://www.fceia.unr.edu.ar [17]Exitosa
teleportación cuántica de fotones/NCYT
Amazings/FÍSICA/24 octubre

2013 [18]Nueva arquitectura de
computación cuántica/10

Mar 2011/LaFlecha-Diario de ciencia y
tecnología [19]José

Luis Sánchez Gómez/La
realidad cuántica revoluciona el mundo de la
información/tendencias científicas

[20]Manuel Ávila Aoki y Pablo Vera
González/Hacia una computadora cuántica de
diamante/diciembre de 2008

Autor:

Saraguro Gonzalez Williams
Lenin

Universidad Politécnica Salesiana
Electrónica Analógica II