(Original Title: How Does a Quantum Computer Work?)
By: Michael Tabb, Andrea Gawrylevski, Jeffrey DelVisco.
Publicado originalmente en la revista Scientific American online el 7 de julio, 2021
Traducido por: Gilberto Reyes Moreno
INTRODUCCIÓN:
NOTA 1.- La presente publicación es solo para fines de difusión didáctico- cultural entre un pequeño grupo de parientes y amigos a quienes va dirigido mi blog: “El Camino De La Vida… Y Algo Más” Absolutamente sin ninguna intención comercial (Espero no estar infringiendo derecho de autor alguno)
NOTA 2.- Al final aparece una corta lista de palabras, de uso no tan común, empleadas en la mecánica y la computación cuántica. (Tal vez sea conveniente remitirse a tal lista antes de continuar con esta lectura, porque podría coadyuvar para su mejor comprensión. Pero es mucho preferible ir a buscar la palabra dudosa cuando ella aparezca por primera vez durante la lectura, en tales casos están marcadas con un *)
La mecánica cuántica es una teoría física creada en el año 1900 por Max Planck para tratar de explicar los extraños comportamientos de las partículas atómicas y subatómicas (que actualmente son del orden de unas 300) tan diferentes de los del mundo macro, el captado por nuestros sentidos, sin el auxilio de equipos especiales.
A pesar de haber transcurrido ya más de 120 años desde su postulado, no ha sido posible que los científicos comprendan cabalmente tales supinos comportamientos por ser, en algunos casos, contra intuitivos y en otros más que sorprendentes.
Hasta hoy en día los físicos (y científicos) han elaborado diversas teorías para el mundo cuántico (tales como la Teoría de las Cuerdas y la de Universos Múltiples) pero casi ningún físico, o científico, está de acuerdo con la teoría de otro. La paradoja afirma que ellos están de acuerdo solo en una cosa: En que están en desacuerdo.
Por otro lado, la computadora cuántica, que usa qubits* en lugar de bits de la clásica, se afirma que posee extraordinariamente inmensa capacidad de cálculo, millones de veces que las computadoras clásicas por lo que serán de inmensa utilidad para muchos usos imposibles de poder ser realizados por las clásicas, Pero las computadoras cuánticas, desafortunadamente, presentan hoy en día, casi insalvables dificultades técnicas para su construcción, ello debido:
1.- A las condiciones físico-climáticas en las que pueden operar (temperaturas tan bajas, cercanas al cero absoluto) por lo menos los diseños más prometedores.
2.- A la inestabilidad de las propiedades cuánticas de los qubits. Apenas ocurre cualquiera de los “ruidos,” tales como pequeños campos electromagnéticos, cambios de temperatura, etc. desaparecen las propiedades cuánticas de los qubits.
LO QUE SIGUE ES EL ARTÍCULO:
Si ustedes logran entender cómo esos sistemas operan, entonces, comprenderán el por qué ellos podrían cambiar todas lo concerniente a la computación y mucho más
Si alguien les sugiriera que piensen en una computadora cuántica, ¿qué es lo que visualizarían en sus respectivas mentes?
¿Tal vez verían una computadora convencional, posiblemente de mayor tamaño, con ciertas misteriosas, mágicas e inusuales componentes físicas dentro de ella? Olvídense de laptops o computadoras de escritorio. Olvídense de las formas de servidores de computación.
Una computadora cuántica (CC) es fundamentalmente diferente y no se parece a ninguna de ellas y, lo más importante, del modo cómo procesa la información.
Existen corrientemente varias maneras de construir una CC. Pero comencemos describiendo uno de los diseños más destacados para ayudarnos a comprender cómo está construida y cómo es que funciona.
Imagínense el filamento de un foco eléctrico en posición vertical colgado, pero con la más extraña luz que jamás se haya visto. En lugar de un fino alambre espiralado, está organizado como plateados enjambres ingeniosamente trenzados alrededor del núcleo. Ellos están dispuestos como estratos que se estrechan cuando se les mueve hacia abajo. Placas de oro separan las estructuras en secciones.
La parte externa es un receptáculo y se le llama araña (de luces). Es un supercargado refrigerador que usa una mezcla especial de helio líquido para enfriar los cuantos esquirlas (chips) cerca del cero absoluto, que es la mínima temperatura que teóricamente es posible alcanzar.
A esas bajas temperaturas, los diminutos circuitos superconductores en el chip adoptan las propiedades cuánticas. Y son esas propiedades, que pronto las veremos, que podrían ser aprovechadas para ejecutar tareas computacionales que son prácticamente imposibles para las computadoras clásicas.
Los procesadores de las computadoras tradicionales trabajan con el sistema de numeración de base 2 (binarias). Los miles de millones de transistores que manejan información en un laptop o en un teléfono inteligente están ya sea prendidos (on) (1) o apagados (off) (0). Mediante series de circuitos, llamados puertas (gates), las computadoras realizan operaciones lógicas basados en el estado de esos interruptores.
Las computadoras clásicas están diseñadas para seguir reglas específicas e inflexibles. Ello las hace extremadamente confiables, pero lastimosamente inapropiadas para resolver ciertas clases de problemas---particularmente problemas como tratar de encontrar una aguja en un pajar.
Es aquí donde las CCs entran brillantemente en acción.
Si piensas que una computadora, que está resolviendo cierto problema, es como un ratón que se desplaza en un laberinto, la computadora clásica encontrará su camino probando cada sendero hasta llegar a su destino.
¿Qué es lo que pasaría, si en lugar de tratar de derrotar al laberinto a través de prueba y error, se pudiera optar por todas las rutas SIMULTÁNEAMENTE?
Las CCs hacen precisamente eso mediante la sustitución del sistema binario “bits” de las computadoras clásicas por algo llamado cubits (“qubits” a partir de ahora). Los qubits operan según las misteriosas leyes de la mecánica cuántica: teoría en la que los físicos trabajan de modo diferente, en escalas dimensionales atómicas y subatómicas.
La manera clásica de demostrar uno de los extraños comportamientos de la mecánica cuántica es haciendo pasar un haz de luz brillante a través de dos ranuras cercanas hechas en una barrera. Parte de la luz pasa a través de la ranura superior y parte por la inferior y se ve que las ondas de luz se traslapan entre ellas creando, en la pantalla posterior, un modelo (imagen) de interferencia*.
Pero sigamos el experimento disminuyendo el diámetro del haz de luz hasta que estemos lanzando nada más que partículas elementales de luz, fotones, uno por uno--- que, lógicamente tendrían que pasar a través de una sola ranura sin producir interferencia alguna. Pero, incomprensiblemente, lo que siempre ocurre es la interferencia.
Tratemos de explicar qué es lo que sucede, de acuerdo con la mecánica cuántica: Hasta que se los detecta en la pantalla, cada fotón está en el estado llamado ‘superposición”* Es como si estuviera viajando por todas las vías posibles al mismo tiempo. Eso es hasta que, con la observación, el estado de superposición colapsa, mostrando un único punto en la pantalla.
Los qubits usan esa habilidad, o característica, para realizar cálculos muy eficientes.
Para el ejemplo del laberinto, debido al estado de superposición el ratón podría abarcar todas las posibles rutas. Luego se puede hacer colapsar el estado de superposición que nos interesa para que muestre la ruta más adecuada hacía el queso.
Tal como se logra aumentar la capacidad de la computadora clásica incrementando el número de transistores, basta añadir más qubits para crear CCs más potentes.
Gracias a otra propiedad de la mecánica cuántica, llamada entrelazamiento* (“entanglement”) los científicos pueden crear múltiples qubits que se encuentren en un mismo estado, aun cuando los qubits no estén en contacto unos con otros. Y mientras que un qubit individual exista en superposición de dos estados, esto se incrementa exponencialmente al entrelazarse más qubits unos con otros. De modo que un sistema de dos qubits almacena 4 posibles valores, un sistema de 20 qubits más de un millón.
Entonces, ¿qué es lo que quiere decir eso para la potencia de una CC?: Simplemente nos hace pensar acerca de una de las aplicaciones de la computación cuántica: El problema del mundo real que se refiere a los números primos.
Un número primo es un número natural mayor que 1 que puede ser dividido igualmente entre sí mismo o entre 1.
Mientras que es fácil multiplicar números pequeños y obtener los gigantes, es mucho más difícil hacerlo al revés; no es posible, solo mirando un número, decir sus factores. Esta es la base de una de las más populares formas de la criptografía de datos, llamada RSA.
La única manera de descifrar una criptografía de seguridad RSA es factorizando el producto de dos números primos. Cada factor primo es típicamente uno de cientos de dígitos y ellos sirven como las únicas llaves para descifrarla, problema que es efectivamente insoluble si la respuesta no se conoce de antemano.
En el año de 1995, el matemático Peter Shor del M. I. T. que entonces trabajaba para AT y Bell Laboratories, tuvo la visión de crear un nuevo algoritmo* cuántico para factorizar cualquier número primo cualquiera que fuese su tamaño. Cierto día un CC pudo usar su capacidad computacional que demostró que el algoritmo de Shor podría piratear (hacking)* todo, desde los récords bancarios hasta los files personales.
En el 2001, IBM construyó una CC con siete qubits para demostrar el algoritmo de Shor. Para los qubits usaron núcleos atómicos, los cuales tenían dos diferentes estados de rotación (spin) los que se puede controlar mediante impulsos de radio frecuencia.
Esa fue una manera nada buena para construir CCs porque es muy difícil de construir computadoras de mayor capacidad operacional (scale-up). Pero fue capaz de maniobrar el algoritmo de Shor para factorizar 15 en 3 y 5. Un cálculo impresionante y complicado, pero un gran logro por haber simplemente comprobado que tal algoritmo funcionaba en la práctica.
Los expertos continúan tratando de conseguir CCs que trabajen suficientemente mejor que las computadoras clásicas, aunque ello permanece extremadamente retador, principalmente porque los estados cuánticos son frágiles. Es difícil evitar completamente que los qubits interactúen con el medio ambiente exterior, aún con láseres y en cámaras extremadamente frías o al vacío.
Cualquier ruido en el sistema conlleva a un estado llamado “decoherencia,” que es cuando la superposición se viene abajo y la computadora pierde la información
Un pequeño error es admisible en la computación cuántica porque estamos lidiando con probabilidades más que en estrictas reglas binarias. Pero la decoherencia* introduce a menudo tanto “ruido” que nubla el resultado.
Cuando un qubit entra a un estado de decoherencia el entrelazamiento, que abarca el sistema entero, desaparece.
Entonces, ¿cómo arreglar esto? La respuesta se llama corrección de errores—y se puede hacer de unas pocas maneras.
Corrección de Errores No. 1: Una CC de Corrección Total podría manejar errores comunes usando qubits descartables (“bit flips”)* cuando uno o más qubits cambian súbitamente a estados erróneos.
Para hacer eso se necesitaría construir una CC con los así llamados “qubits lógicos” los que realmente hacen las matemáticas requeridas, más un grupo de qubits estándar para corregir los errores.
Se requeriría de muchos qubits correctores de errores, tal vez tanto como 100 por cada qubit lógico para que el sistema sea capaz de trabajar. Pero el resultado sería crear CCs extremadamente confiables y útiles.
Corrección de Errores No. 2: Otros expertos están tratando de encontrar ingeniosas maneras de encarar los ruidos generados por diferentes errores. Ellos están tratando de construir lo que llaman “CCs de escalas intermedias de ruidos” usando otro tipo de algoritmos.
Eso podría trabajar en algunos casos, pero a lo mejor no generalmente.
Corrección de Errores No. 3: Otra táctica es encontrar una nueva fuente de qubits que no sean susceptibles de errores, tales como “las partículas topológicas* “ que son mejores para retener la información (sin llegar a la decoherencia). Pero algunas de esas exóticas partículas (o cuasi partículas) son puramente hipotéticas actualmente de tal suerte que la tecnología pertinente estaría a décadas de ser real.
Debido a esas dificultades, la computación cuántica está avanzando lentamente, aunque se han conseguido algunos logros significativos.
En el año 2019, Google exhibió una CC que usaba 54-qubits, llamada “Sycamore”, que ejecutó una (aunque no útil) increíble y compleja simulación en 4 minutos—operando un generador de números cuánticos aleatorios, un millón de veces, mostrando diferentes resultados probabilísticos.
Sycamore trabaja muy diferentemente de la CC que IBM construyó para demostrar el algoritmo de Shor, Sycamore opera circuitos superconductores y los enfría a temperaturas extremadamente bajas que la corriente eléctrica empieza a comportarse como un sistema de mecánica cuántica. A la fecha, este es uno de los métodos que lideran la construcción de CCs, junto con la captación de iones en campos eléctricos, donde diferentes niveles de energía representan similarmente diferentes estados de qubits.
Sycamore representó el mayor avance, aunque numerosos ingenieros no estuvieron de acuerdo exactamente en cuan mayor era. Google dijo que era la primera demostración de la llamada: Supremacía Cuántica: VENTAJA de la CC: consiguiendo ejecutar una tarea que sería imposible por una computadora clásica.
Se arguyó que la mejor computadora del mundo necesitaría un lapso de 10 000 años para hacer lo que Sygamore hizo. IBM no estuvo de acuerdo con esa afirmación.
Actualmente, se está tratando seriamente de construir CCs útiles y prácticas. Los miles de millones de dólares que se invierten anualmente, tanto por gobiernos como por las gigantescas empresas privadas, aseguran que está en camino la carrera para la consecución de las extraordinarias posibilidades de las CCs. La pregunta subyugante es: Cómo, la computación cuántica cambiará lo que la computadora significa para nosotros. ¿Cómo cambiarán los trabajos existentes en el mundo actual electrónicamente conectado?
DEFINICIONES DE PALABRAS NO COMUNES USADAS EN LA MECÁNICA CUÁNTICA Y EN LA COMPUTACIÓN CUÁNTICA.
QUBIT:
El qubit es una unidad de información computacional que está representada por un estado de un átomo o de una partícula elemental.
SUPERPOSICIÓN:
La superposición es la noción de que una partícula elemental pueda existir en múltiples lugares o estados SIMULTÁNEAMENTE - Es la piedra angular de la física cuántica.
INTERFERENCIA:
Fenómeno que resulta de la superposición de dos movimientos vibratorios de la misma frecuencia (Nota del traductor)
Esencialmente, el concepto establece que las partículas elementales no sólo pueden estar en un lugar en cualquier momento dado (a través de la superposición) sino que una partícula elemental, tal como un fotón, (partícula de luz) puede ”ensanchar” su propia trayectoria e interferir (mezclarse una acción o movimiento con otro) la dirección de su sendero.
ENTRELAZAMIENTO (ENTANGLEMENT):
El entrelazamiento cuántico es un fenómeno físico que ocurre cuando un grupo de partículas son generadas, interactúan o comparten proximidad espacial de manera tal que el estado cuántico de cada partícula, o del grupo, no puede ser descrito independientemente del estado de las otras, inclusive cuando las partículas están separadas por una larga distancia.
ALGORITMO:
En la computación cuántica, el algoritmo cuántico es el que corre sobre un modelo de computación cuántica realística, el modelo comúnmente más usado es el modelo de circuito de computación cuántica. Al igual que el algoritmo para una computadora clásica, un algoritmo cuántico es también un procedimiento de paso por paso, pero donde cada una de las etapas puede ser ejecutada en una CC.
DECOHERENCIA:
La decoherencia es el proceso por medio del cual la información de un sistema cuántico es alterada por la interacción del sistema con su medio ambiente (con el cual forma un sistema cerrado) por tanto creando un entrelazamiento entre el sistema y el calor (del medio ambiente). En pocas palabras es la producida por el así llamado ruido.
PIRATERÍA (HACKING):
La piratería o hacking es el atentado para explotar un sistema de cómputo o una red privada de cómputo. En palabras sencillas: Es el acceso no autorizado a (o control de) la red del sistema de seguridad de la computadora, para algún propósito ilícito…Ellos pueden destruir, robar o aún evitar que usuarios autorizados tengan acceso al sistema.
FLIPPING:
Movimiento aleatorio de un qubit cuya base de elaboración (origen) es desconocida. Este ardid puede ser usado para interrumpir, pero no necesariamente erradicar, cualquier forma oculta de comunicación basada en información cuántica (por ejemplo, para corregir errores en CCs) y lo mimo para remover información de datos cuánticos criptografiados existentes (o que estén firmemente ligadas a alguna cosa o se encuentren bajo una superficie) en datos cuánticos.
TOPOLOGÍA:
Parte de las matemáticas basada en el estudio de las deformaciones continuas en geometría y en las relaciones entre la teoría de las superficies y el análisis matemático.. 2.- Estructura definida en un conjunto C por la familia de partes de C (abiertos), que satisfacen ciertos axiomas
Octubre, 2021
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