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La computación cuántica tiene la promesa de resolver algunos de los mayores desafíos de nuestro planeta, en las áreas del medio ambiente, la agricultura, la salud, la energía, el clima, la ciencia de materiales, etc. Para algunos de estos problemas, la computación clásica tiene cada vez más dificultades a medida que aumenta el tamaño del sistema. Cuando se diseña para escalar, es probable que los sistemas cuánticos tengan capacidades que superen las de los superequipos más potentes de hoy en día.
En este artículo se explican los principios de la computación cuántica, cómo se compara con la computación clásica y cómo se usan los principios de la mecánica cuántica.
Historial de la computación cuántica
Los sistemas cuánticos, como átomos y moléculas, pueden ser difíciles o imposibles de simular en un equipo clásico. En los años 80, Richard Feynman y Yuri Manin sugirieron que el hardware basado en fenómenos cuánticos podría ser más eficaz para la simulación de sistemas cuánticos que los equipos convencionales.
Hay varias razones por las que los sistemas cuánticos son difíciles de simular en equipos normales. Una razón principal es que la materia, a nivel cuántico, se describe como una combinación de varias configuraciones (conocidas como estados) al mismo tiempo.
Los estados cuánticos crecen exponencialmente
Considere un sistema de partículas y 40 posibles ubicaciones donde esas partículas pueden existir. El sistema podría estar en cualquiera de $los estados únicos de 2^{40}$ porque cada ubicación puede tener o no una partícula. Si estas son partículas clásicas, el sistema siempre está en uno de los $2^{40}$ estados, por lo que un equipo clásico solo necesita 40 bits para describir el estado del sistema. Pero si son partículas cuánticas, el sistema existe en una combinación de todos los $estados 2^{40}$ . Un equipo clásico debe almacenar $números de 2^{40}$ para describir el sistema cuántico, que requiere más de 130 GB de memoria. Sin embargo, un equipo cuántico solo necesita 40 bits cuánticos para describir este sistema cuántico.
Si agregamos otra ubicación al sistema para que los electrones puedan existir en 41 ubicaciones, el número de configuraciones únicas del sistema se duplica a $2^{41}$. Tardaría más de 260 GB de memoria en almacenar ese estado cuántico en un equipo clásico. No podemos jugar este juego de aumentar el número de ubicaciones para siempre. Para almacenar un estado cuántico en un equipo convencional, se supera rápidamente la capacidad de memoria de las máquinas más potentes del mundo. En unos cientos de electrones, la memoria necesaria para almacenar el sistema supera el número de partículas del universo. ¡No hay esperanza con nuestros equipos convencionales para simular completamente la dinámica cuántica para sistemas más grandes!
Convertir una dificultad en oportunidad
La observación de este crecimiento exponencial plantea una pregunta eficaz: ¿es posible convertir esta dificultad en una oportunidad? Si los sistemas cuánticos son difíciles de simular en equipos normales, ¿qué ocurriría si creamos una máquina que usa efectos cuánticos para sus operaciones fundamentales? ¿Podríamos simular sistemas cuánticos con una máquina que aproveche exactamente las mismas leyes de física? ¿Y podríamos usar esa máquina para investigar otros problemas importantes fuera de la mecánica cuántica? Estos son los tipos de preguntas que dieron lugar a los campos de información cuántica y computación cuántica.
En 1985, David Deutsch mostró que un equipo cuántico podría simular eficazmente el comportamiento de cualquier sistema físico. Esta detección fue la primera indicación de que los equipos cuánticos podrían usarse para resolver problemas que son demasiado difíciles de resolver en equipos clásicos.
En 1994, Peter Shor descubrió un algoritmo cuántico para encontrar los factores primos de enteros grandes. El algoritmo de Shor se ejecuta exponencialmente más rápido que el algoritmo clásico más conocido para este problema de factorización. Este algoritmo rápido podría romper muchos de nuestros sistemas criptográficos de clave pública modernos que usamos para proteger las transacciones en el comercio electrónico, como Rivest–Shamir–Adleman (RSA) y Criptografía de curva elíptica. Este descubrimiento despertó un enorme interés por la computación cuántica y condujo al desarrollo de algoritmos cuánticos para muchos otros problemas.
Desde ese momento, se desarrollaron algoritmos de equipos cuánticos rápidos y eficientes para otros problemas difíciles de resolver en equipos clásicos. Por ejemplo, ahora tenemos algoritmos cuánticos para buscar en una base de datos no ordenada, para resolver sistemas de ecuaciones lineales, para realizar el aprendizaje automático y para simular sistemas físicos en química, física y ciencia de materiales.
¿Qué es un cúbit?
Al igual que los bits son el objeto fundamental de la información en la computación clásica, los cúbits (bits cuánticos) son el objeto fundamental de la información en la computación cuántica.
Los cúbits desempeñan un papel similar en la computación cuántica como bits en la computación clásica, pero los cúbits se comportan de forma diferente a los bits. Los bits clásicos son binarios y, en un momento dado, solo pueden estar en uno de dos estados, 0 o 1. Pero los cúbits pueden estar en una superposición de los estados 0 y 1 al mismo tiempo. De hecho, hay posibles superposiciones infinitas de 0 y 1, y cada una de ellas es un estado de cúbit válido.
En la computación cuántica, la información se codifica en superposiciones de los estados 0 y 1. Por ejemplo, 8 bits normales pueden codificar hasta 256 valores únicos, pero estos 8 bits solo pueden representar uno de los 256 valores a la vez. Con 8 cúbits, podríamos codificar todos los 256 valores al mismo tiempo, ya que los cúbits pueden estar en una superposición de todos los 256 estados posibles.
Para obtener más información, consulte El cúbit en la computación cuántica.
¿Cuáles son los requisitos para crear un equipo cuántico?
Un equipo cuántico usa sistemas cuánticos y las propiedades de la mecánica cuántica para resolver problemas computacionales. Los sistemas de un equipo cuántico constan de los cúbits, las interacciones entre cúbits y operaciones en los cúbits para almacenar y calcular información. Podemos usar equipos cuánticos para programar efectos como el entrelazamiento cuántico y la interferencia cuántica para resolver con precisión ciertos problemas más rápido que en los equipos clásicos.
Para crear un equipo cuántico, es necesario tener en cuenta cómo crear y almacenar los cúbits. También tenemos que pensar en cómo manipular los cúbits y cómo medir los resultados de nuestros cálculos.
Entre las tecnologías de cúbits populares se incluyen cúbits de iones atrapados, cúbits superconductores y cúbits topológicos. Para algunos métodos de almacenamiento de cúbits, la unidad que hospeda los cúbits debe mantenerse a una temperatura casi cero absoluta para maximizar su coherencia y reducir la interferencia. Otros tipos de alojamiento de cúbits usan una cámara de vacío para ayudar a minimizar las vibraciones y estabilizar los cúbits. Las señales se pueden enviar a los cúbits a través de varios métodos, como microondas, láseres o voltajes.
Los cinco criterios de un equipo cuántico
Un buen equipo cuántico debe tener estas cinco características:
- Escalable: puede tener muchos cúbits.
- Inicializable: puede establecer los cúbits en un estado específico (normalmente el estado 0).
- Resistente: puede mantener los cúbits en estado de superposición durante mucho tiempo.
- Universal: un equipo cuántico no necesita realizar todas las operaciones posibles, solo un conjunto de operaciones denominadas conjunto universal. Un conjunto de operaciones cuánticas universales es de modo que cualquier otra operación se pueda descomponer en una secuencia de ellas.
- Confiable: puede medir los cúbits con precisión.
Estos cinco criterios se conocen a menudo como criterios de Di Vincenzo para el cálculo cuántico.
La creación de dispositivos que cumplan estos cinco criterios es uno de los desafíos de ingeniería más exigentes a los que se ha enfrentado el hombre. Azure Quantum ofrece una variedad de soluciones de computación cuántica con diferentes tecnologías de cúbits. Para más información, consulte la lista completa de proveedores de Azure Quantum.
Descripción de fenómenos cuánticos
Los fenómenos cuánticos son los principios fundamentales que diferencian la computación cuántica de la computación clásica. Comprender estos fenómenos es fundamental para comprender cómo funcionan los equipos cuánticos y por qué contienen este potencial. Los dos fenómenos cuánticos más importantes son la superposición y el entrelazamiento.
Superposición
Imagine que está haciendo ejercicio en su salón. Gira completamente a la izquierda y, a continuación, gira completamente a la derecha. Ahora, gire a la izquierda y a la derecha al mismo tiempo. No se puede (no sin dividirse en dos, al menos). Obviamente, no puede estar en ambos estados a la vez: no puede estar mirando a la izquierda y a la derecha al mismo tiempo.
Sin embargo, si fuera una partícula cuántica, tendría una probabilidad determinada de estar mirando a la izquierda y una probabilidad determinada de estar mirando a la derecha debido a un fenómeno conocido como superposición (o también coherencia).
Solo los sistemas cuánticos como los iones, electrones o circuitos superconductores pueden existir en los estados de superposición que permiten la potencia de la computación cuántica. Por ejemplo, los electrones son partículas cuánticas que tienen su propia propiedad de "hacia la izquierda o hacia la derecha", denominada espín. Los dos estados de giro se denominan spin up y spin down, y el estado cuántico de un electrón es una superposición de los estados de spin up y spin down.
Si desea obtener más información y practicar con superposición, consulte Módulo de entrenamiento: Exploración de la superposición con Q#.
Entrelazamiento
El entrelazamiento es una correlación cuántica entre dos o más sistemas cuánticos. Cuando dos cúbits están entrelazados, se correlacionan y comparten la información de sus estados de forma que el estado cuántico de los cúbits individuales no se pueda describir de forma independiente. Con el entrelazamiento cuántico solo se puede conocer el estado cuántico del sistema global, no los estados individuales.
Los sistemas cuánticos entrelazados mantienen esta correlación incluso cuando se separan a grandes distancias. Esto significa que cualquier operación o proceso que se aplique a un subsistema se correlaciona también con el otro subsistema. Por lo tanto, medir el estado de un cúbit proporciona información sobre el estado del otro cúbit: esta propiedad en particular es muy útil en la computación cuántica.
Si quiere obtener más información, consulte Tutorial: Exploración del entrelazamiento cuántico con Q# y, para obtener una implementación práctica, consulte Módulo de entrenamiento: Teletransportar un cúbit mediante el entrelazamiento.