Computación cuántica

La computación cuántica es un paradigma de computación distinto al de la computación clásica. 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 computación clásica y en computación cuántica, lo que ha dado lugar a una gran expectación, ya que algunos problemas intratables pasan a ser tratables. Mientras un computador clásico equivale a unamaquina de Turing , un computador cuántico equivale a una máquina de Turing.

A medida que evoluciona la tecnología, aumenta la escala de integración y caben más transistores en el mismo espacio; así se fabrican microchips cada vez más pequeños, y es que, cuanto más pequeño es, mayor velocidad de proceso alcanza el chip.Sin embargo, no podemos hacer los chips infinitamente pequeños. Hay un límite en el cual dejan de funcionar correctamente. Cuando se llega a la escala de nanómetros, los electrones se escapan de los canales por donde deben circular. A esto se le llama efecto tunel.

La idea de computación cuántica surge en 1981, cuando Paul Benioff expuso su teoría para aprovechar las leyes cuánticas en el entorno de la computación. En vez de trabajar a nivel de voltajes eléctricos, se trabaja a nivel de cuanto.
En la computación digital, un bit sólo puede tomar dos valores: 0 ó 1. En cambio, en la computación cuántica, intervienen las leyes de la mecánica cuántica, y la partícula puede estar en superposición coherente: puede ser 0, 1 y puede ser 0 y 1 a la vez . Eso permite que se puedan realizar varias operaciones a la vez, según el número de qubits.

Uno de los obstáculos principales para la computación cuántica es el problema de la decoherencia cuántica, que causa la pérdida del caracter unitario (y, más específicamente, la reversibilidad) de los pasos del algoritmo cuántico. Los tiempos de decoherencia para los sistemas candidatos, en particular el tiempo de relajación transversal (en la terminología usada en la tecnología de resonancia magnética nuclear e imaginería por resonancia magnética) está típicamente entre nanosegundos y segundos, a temperaturas bajas. Las tasas de error son típicamente proporcionales a la razón entre tiempo de operación frente a tiempo de decoherencia, de forma que cualquier operación debe ser completada en un tiempo mucho más corto que el tiempo de decoherencia. Si la tasa de error es lo bastante baja, es posible usar eficazmente la corrección de errores cuánticos, con lo cual sí serían posibles tiempos de cálculo más largos que el tiempo de decoherencia y, en principio, arbitrariamente largos. Se cita con frecuencia una tasa de error límite de 10-4, por debajo de la cual se supone que sería posible la aplicación eficaz de la corrección de errores cuánticos.

CONDICIONES:
El sistema ha de poder inicializarse, esto es, llevarse a un estado de partida conocido y controlado.
Ha de ser posible hacer manipulaciones a los qubits de forma controlada, con un conjunto de operaciones que forme unconjunto universal de prubas logicas (para poder reproducir cualquier otra puerta lógica posible).
El sistema ha de mantener su coherencia cuántica lo largo del experimento.
Ha de poder leerse el estado final del sistema, tras el cálculo.
El sistema ha de ser escalable: tiene que haber una forma definida de aumentar el número de qubits, para tratar con problemas de mayor coste computacional.

24 de marzo de 2011

Importante avance de la COMPUTACIÓN CUÁNTICA

     Hace diez años un equipo de físicos de la Universidad de Stanford e IBM sorprendió al mundo al revelar que había construido un ordenador capaz de utilizar las extrañas reglas de la mecánica cuántica para procesar la información. Una década después, este campo de la informática en el que no parecen haberse producido avances espectaculares, vuelve a ser noticia gracias a una máquina de resonancia magnética con un cabezal del tamaño de un alfiler, capaz de “operar” con átomos de nitrógeno incrustados en diamante.

Aquel ordenador pudo realizar esa tarea gracias a que un objeto cuántico -o "qbit"- es capaz de existir en dos estados al mismo tiempo, representando un 0 y 1 simultáneamente. Este tipo de “superposición cuántica” permite que un objeto cuántico pueda operar con 2 bits al mismo tiempo, dos objetos cuánticos lo hagan con cuatro bits de forma simultánea, los siete “qbits” que poseía el ordenador de IBM/Stanford bastan para calcular con 128 bits y así sucesivamente. Se estima que un ordenador cuántico de solo 30 “qbits” sería más potente que cualquier ordenador convencional disponible en la actualidad.

Sin embargo, y a pesar de que la prensa se hizo eco de algunos discretos avances en este campo, en los diez años transcurridos de aquel anuncio ningún laboratorio pudo construir un ordenador cuántico más potente que aquel. El motivo principal detrás de esta falta de avances concretos se encuentra en el corazón mismo del sistema utilizado. En 2001, el equipo trabajó con una técnica basada en la resonancia magnética nuclear, con la que se manipulaban los núcleos atómicos de una molécula de forma independiente. Tal como ocurre cuando un paciente se somete a un análisis utilizando una de estas máquinas, el ordenador cuántico enviaba ondas de radio a los núcleos y luego escuchaba su “eco”. La técnica es bien conocida, y funciona con todo tipo de moléculas, incluidas la acetona, el alcohol, la cafeína y -por supuesto- la elegida por el equipo de IBM/Stanford, un compuesto ferroso llamado perfluorobutadienyl iron.

Colocando juntos varios de estos objetos de forma adecuada, se pueden crear puertas lógicas cuánticas, funcionales gracias a la nueva técnica de resonancia magnética. Grinold asegura que su descubrimiento tiene "interesantes aplicaciones potenciales, que van desde sensibles magnetómetros a nanoescala hasta procesadores de información cuántica escalables." Este avance es fácilmente duplicable en otros laboratorios. Las muestras de nitrógeno en diamante se utilizan desde hace años, y el equipo de resonancia puesto a punto por Grinold es relativamente simple de duplicar. Si a esto le sumamos el hecho de que quien ponga a punto un ordenador cuántico realmente funcional seguramente será un firme candidato a obtener el Premio Nobel de Física, tenemos todos los elementos necesarios para que la carrera hacia la informática cuántica vuelva a ser emocionante. 

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