Abstract
En este artículo se desarrollara
los fundamentos, la historia y los conceptos básicos de lo
que es la Computación cuántica, empezando con la
aparición del Abaco (600 y 500 a.C.) hasta el desarrollo
de computadoras cuánticas realizadas dentro de
diamantes.
I.
INTRODUCCION:
En la edición de la 35 aniversario
de la revista Electronic Magazine. Hubo un a publicación
en especial, realizada por Gordon Moore, uno de los
fundadores de Intel. En la cual reporto que la cantidad de
componentes en un circuito integrado de silicio se había
duplicado desde el año 1959 hasta 1965, predijo que en
1975 se podrían incluir 6500 de estos componentes en un
solo chip, hoy en día los componentes de un chip llegan a
ser de un mil millones componentes.
La propuesta del cofundador de Intel es
verificada día a día y se la conoce como al a Ley
Moore Al tener en cuanta dicha ley podemos darnos cuenta de que
llegara un punto en el cual cada componente (transistor)
ocuparía cada átomo de silicio en un chip y
llegaría el fin de la evolución de la
computación, lo que conlleva la necesidad de descubrir
formas de seguir evolucionando en temas de computación.
También con el alto coste computacional que exigía
los cálculos de la evolución de sistemas
cuánticos, Richard Feyman (1982), empieza a estudiar la
computación cuántica, considerando a los sistemas
cuánticos no como objetos a calcular si no como
herramientas de cálculo. El área se desarrollo
lentamente hasta que Peer W. Shor en 1994, describió un
algoritmo polinomial para factorizar enteros. Clásicamente
el tiempo que cuesta realizar cálculos se puede reducir
usando procesadores en paralelo, Para alcanzar una
reducción exponencial es necesario un número
exponencial de procesadores y por tanto una cantidad exponencial
de espacio físico. Sin embargo, en sistemas
cuánticos la capacidad de cálculo en paralelo
crece, exponencialmente, respecto al espacio requerido por el
sistema. Este efecto se llama paralelismo
cuántico.
II.
HISTORIA:
Antiguamente, los primeros modelos fueron
manuales, estos se remontan aproximadamente hasta 500 A.C.,
cuando los egipcios inventaron un artefacto que consistía
en una serie de esferas atravesadas por varillas; este artefacto
fue cambiado y perfeccionado por los chinos; y posteriormente en
el siglo XIII D.C. es cuando toma la forma clásica que
conocemos; el ÁBACO esta´ compuesto por 10
líneas con 7 esferas cada una, una línea corta
todas las líneas en dos partes una más grande que
la otra, ubicándose 2 esferas en la parte superior y cinco
en la parte inferior. Mucho tiempo después, se
desarrollaron modelos mecánicos y eléctricos, es
así que, Blaise Pascal, en 1649, fabricó la
PASCALINA, una máquina que hacía operaciones de 8
dígitos. En 1820, Charles Babbage con la ayuda de la
Condesa Ada Byron, construyó dos equipos totalmente
mecánicos, usaban ejes, engranajes y poleas para realizar
cálculos; Byron fue la primera persona que programó
una computadora, tiempo después un lenguaje de
programación fue nombrado como Ada en su honor. Herman
Hollerith desarrolló unas máquinas que
clasificaban, ordenaban y enumeraban tarjetas perforadas. Estas
se usaron en el censo realizado en 1890 por el gobierno de los
Estados Unidos de Norte América.
Konraz Suze, ingeniero alemán, en
1942, construyó la primera computadora digital
(electromecánica binaria) programable.
Entre 1937 y 1942 Atanasoff y Berry,
construyeron un prototipo compuesto de tubos al vacío,
capacitores y un tambor de rotatorio para el manejo de los
elementos de la memoria, fue usada para resolver ecuaciones
matemáticas complejas. En 1941 Turing construyó la
COLLOSUS, una computadora que usaba miles de válvulas,
2400 bombas de vidrio al vacío, y un escáner con
capacidad de leer 5000 caracteres por cinta de papel. En 1944 IBM
(Interna Business Machines) construye la MARK I en
cooperación con la Universidad de Harvard, media 15 metros
de largo, 2.40 metros de altura y pesaba cinco toneladas. La
ENIAC contaba con 17468 tubos de vidrio al vacío similares
a los tubos de radio, fue construida en 1946 en la Universidad de
Pensylvania. Finalmente se inició la era digital, con
modelos electrónicos basados inicialmente en tubos de
vacío y luego en transistores. La EDVAC fue la primera
computadora electrónica 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. En
Intel, en 1971, Hoff desarrollo un microprocesador de 4 bits que
contenía 23000 transistores que procesaban 108 kHz o 0.06
MIPS, tenía 46 instrucciones y 4 kilobytes de espacio de
almacenamiento. En 1974 Intel presentó una CPU compuesto
por el microchip 8080, este contenía 4500 transistores y
podía almacenar 64 kilobytes de memoria RAM, tenía
un bus de datos de 8 bits. Wozniak y Jobs, en 1976, empiezan con
Apple, revolucionando el mundo de las computadoras al introducir
la interfaz gráfica y el ratón. El microprocesador
Intel 8086, se lanzó en 1978, e inició una nueva
era en la producción de computadoras personales. 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 vertibles, y los modelos no comerciales que son tan
pequeños como una moneda de un centavo. La constante
miniaturización de los componentes de hardware ha logrado
la realización de nano circuitos.
III. COMPUTADORA
CUÁNTICA:
Pronto no será posible reducir
más los circuitos, debido a que muy pronto la
miniaturización será tal que las leyes de la
física clásica ya no sean validas, entonces se
entrará en los dominios del mundo subatómico, donde
las leyes de la física de la mecánica
cuántica tienen validez. El cambio en los componentes
fundamentales de las computadoras, hace necesario redefinir
muchos elementos de la computación actual, la
arquitectura, los algoritmos, y los componentes de hardware. Es
así como nace la computación cuántica y con
ella los algoritmos cuánticos. La aplicabilidad de la
computación cuántica depende de la posibilidad de
desarrollar una computadora cuántica. Un ejemplo del
inmenso poder de las computadoras cuánticas es el
algoritmo cuántico para determinar si un número es
primo. Una computadora actual se tardaría miles y hasta
millones de años (dependiendo de cuan grande sea el
número a factorizar) en ejecutar tal algoritmo; a
diferencia de una computadora cuántica le tomaría
tan solo unos cuantos segundos el completar la tarea. La
teoría de la computación cuántica
está basada en la interacción del mundo
atómico. Estas investigaciones todavía está
en laboratorio pero sus resultados son bastantes alentadores y
con el desarrollo de la primera computadora cuántica de
cinco qubits desarrollado por Steffen et al [Steffen01].
Fundamentos de la computación cuántica: La
computación cuántica está basada en las
propiedades de la interacción sub atómica, una de
ellas es la superposición de dos estados
simultáneamente, la cual es ampliamente aprovechada en el
desarrollo teórico de los algoritmos cuánticos,
logrando una capacidad de procesamiento exponencial La
superposición cuántica permite mantener
simultáneamente dos estados en un bit cuántico, es
decir 0 y 1 a la vez, a diferencia de un bit q solo puede tener
un solo estado a la vez, la superposición cuántica
logra el paralelismo cuántico.
IV. ELEMENTOS
BÁSICOS DE LA COMPUTACIÓN
CUÁNTICA:
El elemento básico de la
computación cuántica es el bit cuántico o
qubit 1 (quantum bit por sus siglas en inglés), un qubit
representa ambos estados simultáneamente, un "0" y un "1"
lógico, dos estados ortogonales de una sub
partícula atómica, como es representada en la
figura 1. El estado de un qubit se puede escribir como 
describiendo su
múltiple estado simultáneo. Un vector de dos
qubits, representa simultáneamente, los estados 00, 01, 10
y 11; un vector de tres qubits, representa
simultáneamente, los estados 000, 001, 010, 011, 100, 101,
110, y 111; y así sucesivamente. Es decir un vector de n
qubits, representa a la vez 2n estados.
Figure 1. . Representación de
cuatro estados diferentes de un qubit.
[Steffen01]
Cualquier sistema cuántico con dos
estados discretos distintos puede servir como qubit, un
espín de electrón que apunta arriba o abajo, o un
espín de fotón con polarización horizontal o
vertical. En la figura 1 se tiene una representación
pictórica de cuatro diferentes estados basado en el
espín de un núcleo atómico, por lo que puede
ser usado como un qubit. Un qubit no puede ser clonado, no puede
ser copiado, y no puede ser enviado de un lugar a
otro.
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