22 datos más interesantes sobre las computadoras cuánticas
La computadora cuántica trata con partículas mucho más pequeñas que el tamaño de los átomos. En escalas tan pequeñas, las reglas de la física no tienen sentido. Aquí es donde empiezan a suceder cosas interesantes. Las partículas pueden moverse de un lado a otro o incluso pueden existir simultáneamente. Estos tipos de computadoras pueden aumentar el poder de cómputo más allá de lo que pueden lograr las computadoras convencionales actuales.
Analicemos lo que sabemos sobre la computación cuántica en este momento. Hemos reunido algunos de los datos interesantes sobre las computadoras cuánticas que cambiarán tu mente.
1. Estándar de almacenamiento de información
Las computadoras que usamos hoy en día almacenan datos en formato binario, una serie de 0 y 1. Cada componente de la memoria se denomina bit y se puede manipular a través de pasos lógicos booleanos.
Por otro lado, una computadora cuántica almacenaría datos como '0', '1' o una superposición cuántica de los dos estados. Este bit cuántico (también conocido como Qubits) tiene una flexibilidad mucho mayor en comparación con un sistema binario.
Los qubits se pueden implementar utilizando partículas con dos estados de giro: "arriba " y "abajo ". Tal sistema se puede mapear a un sistema efectivo de spin-1/2.
2. Velocidad increíble
Debido a que los datos en las computadoras cuánticas pueden existir en más que solo estados de 0 y 1, pueden realizar cálculos en paralelo. Consideremos un ejemplo simple; si el qubit está en una superposición de estado 0 y estado 1, y realiza un cálculo con otro qubit en una superposición similar, dejaría cuatro resultados: 0/1, 0/0, 1/0 y 1/1.
La computadora cuántica mostrará el resultado anterior cuando esté en un estado de decoherencia, que dura (mientras se encuentra en una superposición de estados) hasta que colapsa a un estado. La capacidad de realizar múltiples tareas simultáneamente se conoce como paralelismo cuántico.
3. Seguridad redefinida
La velocidad de las computadoras cuánticas también es una preocupación seria en el campo de la criptografía y el cifrado. Los sistemas de seguridad financiera del mundo actual se basan en la factorización de grandes números (algoritmos RSA o DSA) que, literalmente, las computadoras convencionales no pueden descifrar durante la vida de la Tierra. Sin embargo, una computadora cuántica podría factorizar los números en un tiempo razonable.
Por otro lado, las computadoras cuánticas podrían proporcionar características de seguridad irrompibles. Pueden bloquear datos cruciales (como transacciones en línea, cuentas de correo electrónico) con encriptaciones mucho mejores.
Se desarrollaron muchos algoritmos para computadoras cuánticas; los más conocidos son el algoritmo de Grover (para buscar en una base de datos no estructurada) y el algoritmo de Shor (para factorizar números grandes).
4. Eficiencia Energética
El consumo de energía es el factor crítico de cualquier dispositivo que funcione con electricidad. Una gran variedad de procesadores necesitan mucha fuente de alimentación para mantener su rendimiento. La supercomputadora más rápida del mundo (Summit), por ejemplo, consume 13 MW de potencia.
Sin embargo, las cosas se ponen realmente interesantes con las computadoras cuánticas. Como utilizan túneles cuánticos , reducirán el consumo de energía en un factor de 100 a 1000.
5. Realidades alternativas
De acuerdo con la física cuántica, estamos tratando con algo llamado Multiverso, donde un problema puede tener muchas o infinitas soluciones probables. Por ejemplo, es posible que esté leyendo este artículo en su computadora portátil. En otro universo, podrías estar leyendo esto en tu teléfono celular mientras viajas.
Una computadora cuántica puede realizar 'n' tareas en 'n' universos paralelos y llegar al resultado. Si una computadora tradicional hace 'n' cálculos en 'n' segundos, una computadora cuántica puede realizar 'n 2' cálculos en la misma cantidad de tiempo.
Puede recordar que Deep Blue de IBM fue la primera computadora en derrotar a un campeón mundial de ajedrez, Garry Kasparov, en 1997. La computadora hizo esto al examinar 200 millones de movimientos posibles por segundo. ¡Lejos de la capacidad del cerebro humano! Pero si fuera una máquina cuántica, habría calculado 1 billón de movimientos por segundo, 4 billones de movimientos en 2 segundos y 9 billones de movimientos en 3 segundos.
6. ¿Por qué es difícil construir computadoras cuánticas?
El problema con las computadoras cuánticas es la estabilidad. Resulta que la interferencia (cualquier tipo de vibración perturba la vibración de los átomos) crea una salida sin sentido. Los electrones en la mecánica cuántica se comportan como ondas y se describen mediante una función de onda. Estas ondas pueden interferir, haciendo que las partículas cuánticas se comporten de forma extraña, y esto se denomina decoherencia.
7. Temperatura fría
La temperatura necesaria para mantener una condición estable para un mejor rendimiento debe ser muy baja. Para que las computadoras cuánticas funcionen, los átomos deben mantenerse estables. Y la única forma eficiente conocida de mantener estos átomos estables es reducir la temperatura a cero Kelvin, donde los átomos se estabilizan sin liberar calor.
Actualmente, el sistema D-Wave 2000Q es la computadora cuántica más avanzada. Su procesador superconductor se enfría a 0,015 Kelvin (180 veces más frío que el espacio interestelar).
8. Habilidades para resolver problemas
Las computadoras cuánticas pueden ejecutar algoritmos clásicos; sin embargo, para obtener resultados eficientes, utilizan algoritmos que parecen inherentemente cuánticos o utilizan algunas funciones de computación cuántica, como el entrelazamiento cuántico o la superposición cuántica.
Los problemas de clase indecidibles siguen siendo indecidibles en la computación cuántica. Lo que hace que los algoritmos cuánticos sean fascinantes es que podrán resolver problemas más rápido que los algoritmos clásicos. Por ejemplo, pueden resolver el problema del viajante de comercio en segundos, lo que toma 30 minutos en computadoras convencionales.
Además, una computadora cuántica podría ayudar a descubrir planetas distantes, predecir con precisión el clima, detectar el cáncer antes y desarrollar medicamentos más efectivos mediante el análisis de datos de secuenciación de ADN.
9. Cambio de juego de IA
La inteligencia artificial se encuentra en una etapa temprana. El robot avanzado de hoy puede entrar en una habitación, reconocer materiales, formas y cuerpos en movimiento, pero carece de los factores que los hacen verdaderamente inteligentes. Las computadoras cuánticas son mucho mejores en el campo del procesamiento de información: con 300 bits, podríamos mapear todo el universo.
Las máquinas cuánticas podrían acelerar exponencialmente la tasa de operaciones de aprendizaje automático, reduciendo el tiempo de cientos de miles de años a meros segundos.
Para medir la distancia entre dos grandes vectores de 1 zettabyte, una computadora convencional con frecuencia de GHz tardará cientos de miles de años. Mientras que una computadora cuántica con una velocidad de reloj de GHz (si se construye en el futuro) solo tardará un segundo después de que los vectores se enreden con el qubit auxiliar.
10. No todo se puede hacer rápido
Si bien las computadoras cuánticas encuentran la mejor manera de resolver un problema, se basan en algunos de los principios matemáticos básicos que su computadora personal usa a diario. Esto se refiere a la aritmética básica que ya está bien optimizada.
No hay mejor manera de sumar un conjunto de números que simplemente sumarlos. En estos casos, las computadoras clásicas son tan efectivas como las computadoras cuánticas.
11. Último logro en computación cuántica
Los científicos de la Universidad de Nueva Gales del Sur desarrollaron una primera puerta lógica cuántica utilizando silicio en 2015. En el mismo año, la NASA presentó la primera computadora cuántica operativa fabricada por D-Wave con un valor de $ 15 millones.
En 2016, investigadores de la Universidad de Maryland crearon con éxito la primera computadora cuántica reprogramable. Dos meses después, la Universidad de Basilea especificó una variante de la máquina cuántica basada en huecos de electrones que utiliza huecos de electrones (en lugar de manipular espines de electrones) en un semiconductor a bajas temperaturas, que son mucho menos vulnerables a la decoherencia.
En 2019, Google AI, en asociación con la NASA, publicó un artículo en el que afirmaba que habían logrado la supremacía cuántica, un gran avance en la historia de la computación cuántica.
12. Los sistemas se pueden usar para simular máquinas cuánticas
Una de las aplicaciones más importantes de la computación cuántica son los simuladores cuánticos. Permiten el análisis de sistemas cuánticos imposibles de modelar con superordenadores y difíciles de estudiar en el laboratorio.
Los simuladores cuánticos están diseñados específicamente para proporcionar información sobre ciertos problemas de física. Se pueden construir con computadoras cuánticas 'digitales' programables convencionalmente, que pueden resolver una amplia gama de problemas cuánticos.
Hasta ahora, los simuladores cuánticos se han realizado en muchas plataformas experimentales diferentes, incluidos sistemas de iones atrapados, moléculas polares, gases cuánticos ultra fríos, puntos cuánticos y circuitos superconductores.
13. Lenguaje de programación para computadoras cuánticas
En 2020, los investigadores desarrollaron Sliq : un lenguaje de programación de alto nivel fácil de entender para computadoras cuánticas.
En los cálculos cuánticos, los desarrolladores a menudo tienen que lidiar con una serie de cosas frustrantes, como un bajo nivel de abstracción que conduce a un código desordenado, valores temporales que deben descartarse y más.
Aunque algunos lenguajes cuánticos intentan evitar esto, funcionan de una manera relativamente complicada. Sliq, por otro lado, admite la descomputación segura y automática, lo que permite una semántica intuitiva.
Algunos hechos y descubrimientos más fascinantes.
14. La computación cuántica fue mencionada por primera vez por Richard Feynman en 1959 en su famosa conferencia "Hay mucho espacio en el fondo". Consideró la posibilidad de manipular átomos individuales como una forma mejorada de química sintética.
15. El primer protocolo de distribución de claves cuánticas del mundo, BB84, fue desarrollado por los investigadores de IBM Gillies Brassard y Charles Bennett en 1984. Es una técnica para enviar de forma segura una clave privada de un punto a otro para su uso en criptografía de un solo uso. .
16. En febrero de 2018, los físicos crearon una nueva forma de luz , que involucra estados unidos a tres fotones en un medio cuántico no lineal, que podría impulsar la revolución de la computación cuántica.
17. En marzo de 2018, el Laboratorio de Inteligencia Artificial Cuántica, dirigido por la Asociación de Investigación Espacial de las Universidades, la NASA y Google, lanzó un procesador de 72 qubits llamado Bristlecone.
18. Un modelo realista de computación cuántica se ejecuta en algoritmos cuánticos, que pueden clasificarse según el tipo de problema que resuelven o la técnica o las ideas que utilizan. Actualmente disponemos de algoritmos basados en amplificación de amplitud, transformada cuántica de Fourier y algoritmos cuánticos híbridos.
19. Se están buscando varios candidatos diferentes para implementar físicamente una máquina cuántica. Entre ellos, los más populares son:
- Computadora cuántica superconductora y de iones atrapados
- Punto cuántico basado en espín y espacio
- Computadora cuántica basada en diamantes
- Electrodinámica cuántica de cavidades
- imán molecular
20. Los datos codificados en un estado cuántico no se pueden copiar. Si intenta leer estos datos, su estado cuántico cambiará . La función se puede utilizar para identificar escuchas en la distribución de claves cuánticas.
21. Hasta el momento, cinco empresas han fabricado chips cuánticos: Google (Bristlecone), IBM (IBM Experience y Q), Intel (Tangle Lake), Rigetti (19Q) y D-Wave (Ranier).
22. En 2020, un equipo de investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles estableció un nuevo récord en la preparación y medición de bits cuánticos dentro de una computadora cuántica sin errores. Más concretamente, consiguieron una tasa de error de preparación y medida del 0,03%. Esto afectará a casi todas las áreas de la ciencia de la información cuántica.
