Computación cuántica: significado, ventajas y más

La computación cuántica es la aplicación de los principios de la mecánica cuántica en la realización de cálculos. Los fenómenos básicos empleados aquí son entrelazamiento y superposición .

Si bien la computación cuántica es una palabra de moda relativamente nueva, la mecánica cuántica existe desde hace mucho más tiempo. Fue responsable de importantes desarrollos en la industria electrónica y, además, ofrece respuestas a muchos de los misterios de la humanidad.

La mecánica cuántica se centra en cómo funcionan los átomos y las partículas subatómicas, mientras que la palabra cuántica se refiere a la partícula más pequeña con la que se puede trabajar. Ese es el bloque de construcción más básico de cualquier objeto físico.

Desde Max Planck hasta Albert Einstein, Neils Bohr y Erwin Schrodinger, muchos grandes científicos participaron en el desarrollo de la mecánica cuántica y su eventual culminación en la carrera de la computación cuántica, una de las carreras tecnológicas más grandes de nuestro tiempo.

Esta publicación lo lleva al mundo mágico de los fenómenos cuánticos, le muestra cómo hacer una computadora a partir de él y explora sus campos relacionados.

Acción espeluznante a distancia

Los fenómenos cuánticos desafían la comprensión convencional y funcionan en términos completamente diferentes a los de la física clásica. Entonces, en la década de 1930, Einstein usó las palabras "acción espeluznante a distancia" para describir el fenómeno del entrelazamiento cuántico y cómo no encaja en la ciencia convencional.

El entrelazamiento cuántico no es nada nuevo. Si creas dos partículas en el mismo lugar e instante, entonces se enredan. Lo que significa que todo lo que le sucede a uno, afecta al otro.

Es como enamorarse y recibir una llamada cada vez que piensas en tu amante. O hacer una llamada y escuchar "Estaba a punto de llamarte". También se sabe que los gemelos idénticos se enferman al mismo tiempo.

La parte más espeluznante del entrelazamiento cuántico es que puedes llevar una de las partículas entrelazadas muy lejos. Y sean cuales sean las condiciones a las que lo someta, afectará a la segunda partícula instantáneamente, incluso a media galaxia de distancia.

Las computadoras cuánticas emplean esta propiedad para almacenar grandes cantidades de información en múltiples partículas a la vez. Estas partículas se denominan qubits o bits cuánticos, pero primero, un vistazo al segundo fenómeno de la mecánica cuántica.

Erwin Schrödinger y su gato

Otro de los primeros investigadores cuánticos fue el físico austriaco Erwin Schrödinger, quien, al igual que Albert Einstein, también consideró ridículas algunas partes de los fenómenos cuánticos. Entonces, se le ocurrió el ahora famoso experimento mental llamado "gato de Schrödinger" para visualizar la paradoja de la superposición cuántica.

Este experimento establece que si pones un gato y algo que podría matar al gato en una caja y la sellas. No sabrías si el gato estaba vivo o muerto hasta que abriera la caja. Entonces, lógicamente, el gato estaba vivo y muerto hasta que abriste la caja.

La superposición es el segundo fenómeno que hace posible la computación cuántica. Mientras que las computadoras clásicas trabajan con bits de información que pueden representar 1 o 0 en un momento dado, las computadoras cuánticas trabajan con qubits (bits cuánticos) que pueden representar tanto 0 como 1 al mismo tiempo, al igual que el gato que estaba muerto y viva.

Aquí hay una mirada más cercana a los qubits.

El bit contra el Qubit

El qubit es lo que hace posible la computación cuántica. También conocido como bit cuántico o qbit, un qubit es la unidad de energía más pequeña que puede manipular para guardar y recuperar información.

Un bit de computadora normal solo puede ser 0 o 1 en un momento dado. Mientras que un bit cuántico puede ser ambos al mismo tiempo. Por lo tanto, dos bits regulares pueden contener 00, 01, 10 y 11 en cualquier momento dado. Pero dos bits cuánticos pueden contener los cuatro estados al mismo tiempo. Esto significa ciclos de cómputo 4 veces más rápidos.

Con 3 bits regulares, puede obtener 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 y 111 en cualquier momento. Pero 3 qubits mantendrán los ocho estados al mismo tiempo, lo que le brindará ciclos de cómputo 8 veces más rápidos. Como puede ver, esta relación es exponencial, luego cada bit adicional duplica la cantidad de información disponible.

Entonces, con 5 qubits, estás viendo 32 estados simultáneos, con 10 qubits son más de 1000 estados y con 20 qubits, más de un millón. Ahora, considere cuántos estados pueden contener simultáneamente las computadoras cuánticas de 1000 qubits que IBM y Google están desarrollando.

Puede crear qubits a partir de fotones, electrones, núcleos atómicos, puntos cuánticos, superconductores y otras implementaciones. El objetivo es crear una colección estable de bits cuánticos de energía que pueda configurar y medir convenientemente a voluntad.

Ventajas de la computación cuántica

La principal ventaja de la computación cuántica son los resultados instantáneos de problemas complejos. Esto ocurre principalmente en situaciones en las que debe elegir la respuesta correcta entre muchas posibilidades. Y esto los hace excelentes para factorización de números, simulaciones a gran escala y reconocimiento de patrones en inteligencia artificial.

El enfoque estándar para las computadoras clásicas es investigar cada posibilidad hasta que encuentre lo que está buscando. A menudo llamada aguja en una búsqueda en un pajar, la cantidad de tiempo que tomará esta operación depende de la cantidad de heno o registros que tenga que revisar. Y en qué tan rápido es su máquina.

Las supercomputadoras facilitan estos problemas al aumentar la velocidad de verificación de cada posibilidad. Las computadoras cuánticas, por otro lado, pueden generar todas las posibilidades simultáneamente, si hay suficientes qubits disponibles. Es por eso que pueden calcular problemas en unas pocas horas que las computadoras ordinarias tardarían cientos o miles de años en resolver.

Problemas y limitaciones de la computación cuántica

Si bien puede medir bits fácilmente en una computadora clásica, medir un qubit destruye su estado y el de sus qubits entrelazados.

Además, los bits clásicos están hechos de una amplia gama de materiales semiconductores que solo tienen que tener carga (1) o no (0). Sin embargo, los qubits son mucho más complejos y difíciles de implementar. Y además de aislar espacialmente un qubit, debe protegerlo de la interferencia ambiental, como la temperatura y las fluctuaciones electrostáticas. Porque cambios ambientales tan pequeños también corromperán estos estados.

Esta pérdida de entrelazamiento o equilibrio del sistema se llama decoherencia cuántica y es el principal problema que la mayoría de los investigadores están tratando de resolver. Es tan grave que la próxima máquina de 1000 qubits de Google necesitará hasta 1000 qubits para la corrección de errores de cada qubit. Por lo tanto, es una máquina de 1 millón de qubits.

También significa que actualmente no puede manejar una computadora cuántica como lo haría con una computadora portátil o un teléfono inteligente. La computadora necesita condiciones de laboratorio para mantener un nivel seguro de estabilidad para sus qubits.

Otro inconveniente es el alcance limitado de la llamada supremacía cuántica, porque no todos los problemas de computación involucran grandes volúmenes de números o posibilidades. Por lo tanto, el impulso computacional en la mayoría de las demás operaciones es demasiado insignificante para justificar un enfoque de computación cuántica. Y a menos que las computadoras cuánticas terminen siendo más baratas que las computadoras clásicas, tampoco las reemplazarán en el corto plazo.

A pesar de todos estos inconvenientes, las computadoras cuánticas y sus qubits tienen un gran potencial en la industria informática debido a los grandes números que pueden manejar con facilidad.

¿Hay peligros con la computación cuántica?

Sí. Todo buen hacker sabe que toda tecnología tiene una laguna. Sólo tienes que encontrarlo. Por lo tanto, independientemente de las implementaciones reales de las computadoras cuánticas en el futuro, seguirá habiendo problemas con la tecnología. Y actores listos para capitalizarlos.

Este escenario se refiere a usos como banca, finanzas, gobierno y actividades públicas similares. Un segundo escenario es cuando un actor malicioso emplea el asombroso poder de una buena computadora cuántica para lograr una hazaña. Y como siempre, las personas solo se darán cuenta de tal posibilidad después de que se haya realizado el acto.

La computación cuántica funciona bien con los números. Por lo tanto, los algoritmos de cifrado asimétrico que utilizan la factorización, como el RSA de clave pública, no son seguros. La criptografía hashing y simétrica, como AES-256 y 512, así como SHA-256 y 512, por otro lado, son relativamente seguras.

Otras Aplicaciones de la Mecánica Cuántica

Tan emocionante como es el mundo de la computación cuántica, todavía es solo una parte de la mecánica cuántica. Entonces, en otras palabras, la fiesta cuántica recién comienza.

La mecánica cuántica ha sido fundamental en el desarrollo de semiconductores y electrónica moderna. También se está trabajando en criptografía y redes cuánticas, como ID Quantique, pionera en criptografía cuántica con sede en Suiza. Además, los fenómenos cuánticos también se han mostrado prometedores en numerosos campos de investigación, incluida la fotosíntesis, los receptores del olor e incluso nuestra comprensión del tiempo.

Computadoras cuánticas del mundo real

Hay muchas computadoras cuánticas y aplicaciones similares por ahí. Provienen de grandes multinacionales como Google e IBM, así como de gobiernos e incluso jugadores más pequeños como Rigetti.

La computación cuántica es actualmente una de las áreas de investigación más candentes del planeta. Así que probablemente haya más programas secretos de los que puedas imaginar. A continuación se presentan algunos proyectos importantes:

• Google posee máquinas de 54 qubit y 72 qubit
• IBM posee más de 30 máquinas repartidas por todo el mundo, incluido el Manhattan de 65 qubits
• China alberga muchas computadoras cuánticas, incluida una máquina de 76 qubits e incluso comunicaciones cuánticas por satélite.
• La máquina impulsada por Sycamore de 54 qubits de Google tardó solo 200 segundos en calcular lo que las supercomputadoras necesitarían 10,000 años para calcular.
• IBM está desarrollando una máquina de 1.000 qubits para 2023
• Rigetti Computing posee cuatro, incluida una máquina de 31 qubit
• Google está construyendo un nuevo centro cuántico para crear una computadora de 1000 qubits para 2029. Si se tiene en cuenta la corrección de errores, el total de qubits de esa computadora podría llegar a 1 millón.

Conclusión

Las computadoras cuánticas llegaron para quedarse. Ya que crearán muchas oportunidades y resolverán problemas del mundo real con los que las computadoras clásicas han luchado durante décadas.

Sin embargo, todavía queda mucho trabajo por hacer y desafíos que superar antes de llegar allí. Y hasta entonces, China podría sorprender al mundo.