Computación Cuántica - Modelos y Descripción

La Computación Cuántica se basa en el uso de qubits, una combinación especial de unos y ceros. Los bits de computación clásicos pueden ser 1 o 0, pero solo un estado a la vez; mientras que los qubits también pueden tener los dos estados simultáneos. Esto da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos.

La misma tarea puede tener diferente complejidad en la computación clásica y en la computación cuántica, lo que ha dado lugar a grandes expectativas, ya que algunos problemas insolubles se vuelven tratables.

La computación cuántica es la explotación de las propiedades colectivas de los estados cuánticos, como la superposición y el entrelazamiento, para realizar cálculos. Los dispositivos que realizan cálculos cuánticos se conocen como computadoras cuánticas.

Una computadora cuántica aprovecha algunos de los fenómenos casi místicos de la mecánica cuántica para ofrecer grandes avances en la potencia de procesamiento. Las máquinas cuánticas prometen superar incluso a las supercomputadoras más capaces de hoy y de mañana.

La Dra. Talia Gershon (Directora de Estrategia de Investigación e Iniciativas de Crecimiento en IBM) describe la computación cuántica, de manera muy general, como una combinación de tres factores: la superposición de espines, el entrelazamiento de dos objetos y la interferencia, que ayuda a controlar los estados cuánticos. y amplificar los tipos de señales que están hacia la respuesta correcta, y luego cancelar los tipos de señales que conducen a la respuesta incorrecta.

Se cree que son capaces de resolver ciertos problemas computacionales, como la factorización de números enteros (que es la base del cifrado RSA), sustancialmente más rápido que las computadoras clásicas. El estudio de la computación cuántica es un subcampo de la ciencia de la información cuántica. Se espera una expansión en los próximos años a medida que el campo cambie hacia el uso en el mundo real en aplicaciones farmacéuticas, de seguridad de datos y otras aplicaciones.

La Computación Cuántica aprovecha los fenómenos de la Mecánica Cuántica para dar un gran paso adelante en la computación para resolver ciertos problemas.

Hay varios tipos de Computadoras Cuánticas (también conocidas como sistemas de computación cuántica), incluido el modelo de circuito cuántico, la máquina de Turing cuántica, la computadora cuántica adiabática, la computadora cuántica unidireccional y varios autómatas celulares cuánticos. El modelo más utilizado es el circuito cuántico, basado en el bit cuántico, o "qubit", que es algo análogo al bit en la computación clásica. Un qubit puede estar en un estado cuántico 1 o 0, o en una superposición de los estados 1 y 0. Sin embargo, cuando se mide, siempre es 0 o 1; la probabilidad de cualquiera de los resultados depende del estado cuántico del qubit inmediatamente antes de la medición.

Los qubits son típicamente partículas subatómicas como electrones o fotones. Generar y administrar qubits es un desafío científico y de ingeniería. Algunas empresas, como IBM, Google y Rigetti Computing, utilizan circuitos superconductores enfriados a temperaturas más frías que el espacio profundo. Otros, como IonQ, atrapan átomos individuales en campos electromagnéticos en un chip de silicio en cámaras de vacío ultra alto. En ambos casos, el objetivo es aislar los qubits en un estado cuántico controlado.

Los qubits tienen algunas propiedades cuánticas extravagantes que significan que un grupo conectado de ellos puede proporcionar mucha más potencia de procesamiento que la misma cantidad de bits binarios. Una de esas propiedades se conoce como superposición y otra se llama entrelazamiento.

Los esfuerzos para construir una computadora cuántica física se centran en tecnologías como los transmons, las trampas de iones y las computadoras cuánticas topológicas, que tienen como objetivo crear qubits de alta calidad.

Estos qubits pueden diseñarse de manera diferente, dependiendo del modelo de computación cuántica completa de la computadora cuántica, ya sean puertas lógicas cuánticas, recocido cuántico o computación cuántica adiabática. Actualmente existen una serie de obstáculos importantes para la construcción de computadoras cuánticas útiles. Es particularmente difícil mantener los estados cuánticos de los qubits, ya que sufren de decoherencia cuántica y fidelidad de estado. Por lo tanto, las computadoras cuánticas requieren corrección de errores.

Circuito Cuántico

El modelo predominante de computación cuántica describe la computación en términos de una red de puertas lógicas cuánticas. Este modelo puede considerarse como una generalización lineal-algebraica abstracta de un circuito clásico. Dado que este modelo de circuito obedece a la mecánica cuántica, se cree que una computadora cuántica capaz de ejecutar de manera eficiente estos circuitos es físicamente realizable.

Algoritmo Cuántico

El progreso en la búsqueda de algoritmos cuánticos generalmente se centra en este modelo de circuito cuántico, aunque existen excepciones como el algoritmo adiabático cuántico. Los algoritmos cuánticos se pueden categorizar aproximadamente por el tipo de aceleración lograda sobre los algoritmos clásicos correspondientes.

Los algoritmos cuánticos que ofrecen más que una aceleración polinomial sobre el algoritmo clásico más conocido incluyen el algoritmo de Shor para factorizar y los algoritmos cuánticos relacionados para calcular logaritmos discretos, resolver la ecuación de Pell y, en general, resolver el problema de subgrupos ocultos para grupos finitos abelianos. Estos algoritmos dependen de la primitiva de la transformada cuántica de Fourier.

Aprendizaje automático cuántico

Dado que las computadoras cuánticas pueden producir resultados que las computadoras clásicas no pueden producir de manera eficiente, y dado que la computación cuántica es fundamentalmente algebraica lineal, algunos expresan la esperanza de desarrollar algoritmos cuánticos que puedan acelerar las tareas de aprendizaje automático.

Por ejemplo, se cree que el algoritmo cuántico para sistemas lineales de ecuaciones, o "Algoritmo HHL", que lleva el nombre de sus descubridores Harrow, Hassidim y Lloyd, proporciona una aceleración con respecto a sus homólogos clásicos.

Biología Computacional

En el campo de la biología computacional, la informática ha jugado un papel importante en la resolución de muchos problemas biológicos. Uno de los ejemplos más conocidos sería la genómica computacional y cómo la computación ha reducido drásticamente el tiempo para secuenciar un genoma humano. Dado que la biología computacional utiliza el modelado y almacenamiento de datos genéricos, se espera que también surjan sus aplicaciones a la biología computacional.

Modelos de Computación Cuántica

Hay una serie de modelos de computación cuántica, que se distinguen por los elementos básicos en los que se descompone la computación. Los cuatro modelos principales de importancia práctica son:

Matriz de puertas cuánticas (cálculo descompuesto en una secuencia de puertas cuánticas de pocos qubits)
Computadora cuántica unidireccional (cálculo descompuesto en una secuencia de mediciones de un qubit aplicadas a un estado inicial altamente entrelazado o estado de grupo)

Computadora cuántica adiabática, basada en el recocido cuántico (cálculo descompuesto en una transformación lenta y continua de un hamiltoniano inicial en un hamiltoniano final, cuyos estados fundamentales contienen la solución)

Computadora cuántica topológica [64] (cálculo descompuesto en el trenzado de anyones en una red 2D)

La máquina cuántica de Turing es teóricamente importante, pero la implementación física de este modelo no es factible. Se ha demostrado que los cuatro modelos de cálculo son equivalentes; cada uno puede simular al otro sin más que una sobrecarga polinomial.

Realizaciones Físicas

Para implementar físicamente una computadora cuántica, se están buscando muchos candidatos diferentes, entre ellos (que se distinguen por el sistema físico utilizado para realizar los qubits):

Computación cuántica superconductora (qubit implementado por el estado de pequeños circuitos superconductores [uniones de Josephson])

Computadora cuántica de iones atrapados (qubit implementado por el estado interno de los iones atrapados)

Átomos neutros en redes ópticas (qubit implementado por estados internos de átomos neutros atrapados en una red óptica)

Computadora de puntos cuánticos, basada en espines (por ejemplo, la computadora cuántica Loss-DiVincenzo) (qubit dado por los estados de espín de los electrones atrapados)

Computadora de puntos cuánticos, basada en el espacio (qubit dado por la posición del electrón en doble punto cuántico)

Computación cuántica utilizando pozos cuánticos diseñados, que en principio podrían permitir la construcción de computadoras cuánticas que operan a temperatura ambiente.

Cable cuántico acoplado (qubit implementado por un par de cables cuánticos acoplados por un contacto de punto cuántico)

Computadora cuántica de resonancia magnética nuclear (NMRQC) implementada con la resonancia magnética nuclear de moléculas en solución, donde los qubits son proporcionados por espines nucleares dentro de la molécula disuelta y sondeados con ondas de radio.

Computadoras cuánticas de estado sólido NMR Kane (qubit realizado por el estado de espín nuclear de donantes de fósforo en silicio)

Computadoras cuánticas de electrones sobre helio (qubit es el espín del electrón)

Electrodinámica cuántica de cavidades (CQED) (qubit proporcionado por el estado interno de los átomos atrapados acoplados a cavidades de alta delicadeza)

Imán molecular (qubit dado por estados de giro)

Computadora cuántica ESR basada en fullereno (qubit basado en el espín electrónico de átomos o moléculas encerradas en fullerenos)

Computadora cuántica óptica no lineal (qubits realizados mediante el procesamiento de estados de diferentes modos de luz a través de elementos lineales y no lineales)

Computadora cuántica óptica lineal (qubits realizados mediante el procesamiento de estados de diferentes modos de luz a través de elementos lineales, por ejemplo, espejos, divisores de haz y desfasadores)

Computadora cuántica basada en diamantes [81] [82] [83] (qubit realizado por el giro electrónico o nuclear de los centros de vacantes de nitrógeno en el diamante)

Computadora cuántica basada en condensado Bose-Einstein

Computadora cuántica basada en transistores: computadoras cuánticas de cadena con arrastre de orificios positivos mediante una trampa electrostática

Computadoras cuánticas basadas en cristales inorgánicos dopados con iones metálicos de tierras raras (qubit realizado por el estado electrónico interno de los dopantes en las fibras ópticas)

Computadoras cuánticas basadas en nanoesferas de carbono de tipo metálico
La gran cantidad de candidatos demuestra que la computación cuántica, a pesar de los rápidos avances, está todavía en su infancia.

Supremacía Cuántica

La supremacía cuántica, tal como la definió en 2012 un profesor de física teórica llamado John Preskill, ocurre cuando un sistema cuántico es capaz de resolver un problema que ninguna computadora tradicional es capaz de resolver en un período de tiempo razonable. Más tarde aclaró más esa definición y también estuvo de acuerdo en que la asociación entre la NASA y Google había logrado de hecho la supremacía cuántica.

Es el punto en el que una computadora cuántica puede completar un cálculo matemático que está demostrablemente más allá del alcance incluso de la supercomputadora más poderosa.

Superposición

Los qubits pueden representar numerosas combinaciones posibles de 1 y 0 al mismo tiempo. Esta capacidad de estar simultáneamente en múltiples estados se llama superposición. Para superponer los qubits, los investigadores los manipulan utilizando láseres de precisión o rayos de microondas.

Gracias a este fenómeno contrario a la intuición, una computadora cuántica con varios qubits en superposición puede procesar una gran cantidad de resultados potenciales simultáneamente. El resultado final de un cálculo surge solo una vez que se miden los qubits, lo que inmediatamente hace que su estado cuántico "colapse" a 1 o 0.

Entrelazamiento Cuántico

Los investigadores pueden generar pares de qubits que están "entrelazados", lo que significa que los dos miembros de un par existen en un solo estado cuántico. Cambiar el estado de uno de los qubits cambiará instantáneamente el estado del otro de una manera predecible. Esto sucede incluso si están separados por distancias muy largas.

Decoherencia

La interacción de los qubits con su entorno de formas que hacen que su comportamiento cuántico decaiga y finalmente desaparezca se llama decoherencia. Su estado cuántico es extremadamente frágil. La más mínima vibración o cambio de temperatura, perturbaciones conocidas como "ruido" en el habla cuántica, pueden hacer que se salgan de la superposición antes de que su trabajo se haya realizado correctamente.

Una de las aplicaciones más prometedoras de las computadoras cuánticas es la simulación del comportamiento de la materia hasta el nivel molecular.

Las máquinas también son excelentes para problemas de optimización porque pueden procesar una gran cantidad de soluciones potenciales extremadamente rápido.

La Computación Cuántica podría mejorar algunas de sus deficiencias tradicionales. Y la tecnología de inteligencia artificial podría volverse "más inteligente" y más precisa al obtener acceso a tamaños de conjuntos de datos nunca antes escuchados, que la máquina cuántica podría ayudarlo a procesar.