Cómo funcionan las computadoras cuánticas

Una computadora cuántica es un diseño de computadora que utiliza los principios de física cuántica para aumentar el poder computacional más allá de lo que puede alcanzar una computadora tradicional. Las computadoras cuánticas se han construido a pequeña escala y el trabajo continúa actualizándolas a modelos más prácticos.

Las computadoras funcionan almacenando datos en un número binario formato, que da como resultado una serie de 1s y 0s retenidos en componentes electrónicos como transistores. Cada componente de la memoria de la computadora se llama poco y se puede manipular a través de los pasos de la lógica booleana para que los bits cambien, en función de algoritmos aplicados por el programa de computadora, entre los modos 1 y 0 (a veces referidos como "on" y "apagado").

Una computadora cuántica, por otro lado, almacenaría información como un 1, 0 o una superposición cuántica de los dos estados. Tal "bit cuántico" permite una flexibilidad mucho mayor que el sistema binario.

Específicamente, una computadora cuántica podría realizar cálculos en un orden de magnitud mucho mayor que las computadoras tradicionales... Un concepto que tiene serias preocupaciones y aplicaciones en el ámbito de la criptografía y el cifrado. Algunos temen que una computadora cuántica exitosa y práctica pueda devastar el sistema financiero mundial al romper la seguridad de su computadora cifrados, que se basan en la factorización de grandes números que literalmente no pueden ser descifrados por las computadoras tradicionales dentro de la vida útil del universo. Una computadora cuántica, por otro lado, podría factorizar los números en un período de tiempo razonable.

Para entender cómo esto acelera las cosas, considere este ejemplo. Si el qubit está en una superposición del estado 1 y el estado 0, y realizó un cálculo con otro qubit en el misma superposición, entonces un cálculo realmente obtiene 4 resultados: un resultado 1/1, un resultado 1/0, un resultado 0/1 y un 0/0 resultado. Este es el resultado de las matemáticas aplicadas a un sistema cuántico cuando está en un estado de decoherencia, que dura mientras está en una superposición de estados hasta que colapsa en un estado. La capacidad de una computadora cuántica para realizar múltiples cálculos simultáneamente (o en paralelo, en términos de computadora) se llama paralelismo cuántico.

El mecanismo físico exacto en el trabajo dentro de la computadora cuántica es algo teóricamente complejo e intuitivamente perturbador. En general, se explica en términos de la interpretación multimundo de la física cuántica, en la que la computadora realiza cálculos no solo en nuestro universo sino también en otro universos simultáneamente, mientras que los diversos qubits están en un estado de decoherencia cuántica. Si bien esto suena exagerado, se ha demostrado que la interpretación multimundo hace predicciones que coinciden con los resultados experimentales.

La computación cuántica tiende a rastrear sus raíces hasta un discurso de 1959 por Richard P. Feynman en el que habló sobre los efectos de la miniaturización, incluida la idea de explotar los efectos cuánticos para crear computadoras más potentes. Este discurso también se considera generalmente el punto de partida de nanotecnología.

Por supuesto, antes de que se pudieran realizar los efectos cuánticos de la informática, los científicos e ingenieros tuvieron que desarrollar más plenamente la tecnología de las computadoras tradicionales. Por eso, durante muchos años, hubo poco progreso directo, ni siquiera interés, en la idea de hacer realidad las sugerencias de Feynman.

En 1985, la idea de "puertas de lógica cuántica" fue presentada por David Deutsch de la Universidad de Oxford, como un medio de aprovechar el reino cuántico dentro de una computadora. De hecho, el artículo de Deutsch sobre el tema mostró que cualquier proceso físico podría ser modelado por una computadora cuántica.

Casi una década después, en 1994, Peter Shor de AT&T ideó un algoritmo que podía usar solo 6 qubits para realizar algunas factorizaciones básicas... cuanto más codos, más complejos se volvieron los números que requerían factorización, por supuesto.

Se ha construido un puñado de computadoras cuánticas. El primero, una computadora cuántica de 2 qubits en 1998, podía realizar cálculos triviales antes de perder la decoherencia después de unos pocos nanosegundos. En 2000, los equipos construyeron con éxito una computadora cuántica de 4 qubits y una de 7 qubits. La investigación sobre el tema sigue siendo muy activa, aunque algunos físicos e ingenieros expresan su preocupación por las dificultades que conlleva la ampliación de estos experimentos a sistemas informáticos a gran escala. Aún así, el éxito de estos pasos iniciales muestra que la teoría fundamental es sólida.

El principal inconveniente de la computadora cuántica es el mismo que su fuerza: la decoherencia cuántica. Los cálculos de qubit se realizan mientras la función de onda cuántica se encuentra en un estado de superposición entre estados, que es lo que le permite realizar los cálculos utilizando los estados 1 y 0 simultaneamente.

Sin embargo, cuando se realiza una medición de cualquier tipo en un sistema cuántico, la decoherencia se rompe y la función de onda colapsa en un solo estado. Por lo tanto, la computadora tiene que continuar de alguna manera haciendo estos cálculos sin tener que realizar ninguna medición hasta el momento adecuado, cuando luego puede abandonar el estado cuántico, tomar una medida para leer su resultado, que luego se pasa al resto del sistema.

Los requisitos físicos de manipular un sistema a esta escala son considerables, ya que afectan a los ámbitos de los superconductores, la nanotecnología y la electrónica cuántica, así como a otros. Cada uno de estos es en sí mismo un campo sofisticado que aún se está desarrollando por completo, por lo que intenta fusionarse todos juntos en una computadora cuántica funcional es una tarea que no envidio particularmente nadie... a excepción de la persona que finalmente tiene éxito.