Trabajo encargado

Organización y Arquitectura de la Computadora

DESCRIPCIÓN BREVEArtículo acerca de la computación cuántica

Juan Carlos Vargas CamachoCodigo: 135200

Introducción Las computadoras se han vuelto parte de nuestra vida cotidiana. Están presentes no sólo en las universidades, oficinas y escuelas, sino en las casas de muchas personas. Las computadoras modernas almacenan nuestros datos, sirven para comunicarnos con los amigos, sacan fotos y sirven para escuchar música. Sin embargo, no hay que olvidar su propósito original: hacer cálculos. Ha habido recientemente un enorme avance en la computación numérica. Cada año aparecen procesadores más rápidos y tendemos a descartar las computadoras que orgullosamente compramos hace poco tiempo. El aumento en la velocidad y la potencia de las computadoras en los últimos años y los efectos de esta tecnología son tan espectaculares, que uno podría pensar que no tienen límites. Ya no es necesario siquiera hace falta tomar en cuenta los cambios que las computadoras han producido en el comercio y la economía. Basta considerar el efecto de las computadoras en la ciencia para darse cuenta de que han cambiado nuestra manera de estudiar la naturaleza. Hoy en día las computadoras nos permiten simular, por ejemplo, colisiones de galaxias y la formación de las primeras estrellas. Así podemos estudiar y entender estos sucesos sin necesidad de que ocurran ante nuestros ojos. Podemos decir que los científicos cuentan con una nueva herramienta, además de las tradicionales (la teoría y la experimentación): la ciencia computacional.

DefiniciónLa informática cuántica descansa en la física cuántica sacando partido de algunas propiedades físicas de los átomos o de los núcleos que permiten trabajar conjuntamente con bits cuánticos (en el procesador y en la memoria del ordenador. Interactuando unos con otros estando aislados de un ambiente externo los bits cuánticos pueden ejecutar cálculos exponenciales mucho más rápidamente que los ordenadores convencionales.

Mientras que los computadores tradicionales codifican información usando números binarios (0, 1) y pueden hacer solo cálculos de un conjunto de números de una sola vez cada uno, las computadoras u ordenadores cuánticos codifican información como serie de estados mecánicos cuánticos tales como direcciones de los electrones o las orientaciones de la polarización de un fotón representando un número que expresaba que el estado del bit cuántico está en alguna parte entre 1 y 0, o una superposición de muchos diversos números de forma que se realizan diversos cálculos simultáneamente.

Entonces podemos decir que una computadora cuántica es aquella que utiliza qubits para realizar sus operaciones en lugar de los bits que encuentras en cualquier micro de PC de escritorio, laptop, Tablet o Smartphone comercial. La computación cuántica, por tanto, no es más que aquella que utiliza qubits en lugar de los convencionales bits para realizar sus cálculos.

La descripción cuántica tiene varias peculiaridades. Por ejemplo, cuando se lanza al aire una moneda la mecánica clásica nos permitiría saber de qué lado caerá si tuviéramos todos los datos acerca de la posición y la velocidad de la moneda al salir de nuestra mano. Si no tenemos los datos, decimos que hay una probabilidad de 50% de que caiga de un lado o del otro. En cambio, la probabilidad en mecánica cuántica es otra cosa. En los experimentos cuánticos no podemos predecir el resultado, sólo la probabilidad de que ocurra cierto resultado.

Pero la peculiaridad cuántica más importante para nuestros propósitos es el llamado principio de superposición. Si en el mundo clásico un objeto puede estar en uno de varios estados distintos (por ejemplo, en distintas posiciones, o con distintos valores de la energía), en mecánica cuántica puede estar, además, en combinaciones de todos los estados posibles. Esta superposición de estados perdura mientras el objeto permanezca aislado. En cuanto interactúa con su entorno (por ejemplo, cuando alguien trata de determinar con una medición en qué estado se encuentra), la superposición se destruye y el objeto cae en uno de sus estados. Por ejemplo, un electrón confinado en cierto volumen puede ocupar al mismo tiempo muchas posiciones. Pero cuando uno trata de localizarlo con una medición, el electrón se manifiesta en una sola posición. La destrucción de los estados de superposición al interactuar un sistema cuántico con su entorno se llama decoherencia.

Las computadoras cuánticas aprovechan el principio de superposición para sacarles más partido a los bits. Un bit cuántico, o qubit, tiene más posibilidades de almacenar información porque, además de los dos estados clásicos 1 y 0, puede encontrarse en una superposición de éstos. Dicho de otro modo, puede estar parcialmente en uno y otro al mismo tiempo. La gama de posibilidades varía continuamente del 0 al 1, con superposiciones que contienen más o menos de los dos estados clásicos. El qubit lleva una vida mucho más rica que el bit clásico. Esto finalmente define la importancia de los sistemas cuánticos para la informática y la computación. Es cómodo imaginar al qubit como un vector. La longitud de este vector es fija, pero puede apuntar en cualquier dirección, a diferencia del bit clásico, que sólo puede apuntar, digamos, hacia arriba y hacia abajo.

Un ordenador cuánticoEn 1985 David Deutsch dio una base matemática sólida a la propuesta de Feynman. Deutsch explicó cómo podría funcionar una computadora cuántica universal y describió su funcionamiento como secuencias de operaciones elementales sobre qubits. La computadora cuántica de Deutsch es muy parecida a la máquina universal de Turing, pero con qubits en el lugar de bits clásicos. Sin embargo, la operación de una computadora cuántica es muy distinta de la

operación de la máquina de Turing. Había que formular algoritmos computacionales cuánticos.

Los algoritmos cuánticos hacen uso de las peculiaridades de los qubits. Para iniciar un proceso de cómputo cuántico, podríamos, por ejemplo, poner para empezar todos los qubits que representan la información inicial en una superposición de 0 y 1. El estado inicial de esta computadora contendrá así todos los datos iniciales posibles. Ahora sólo falta hacer un cálculo adecuado (aplicar el algoritmo). Operando sobre los qubits en superposiciones de 1 y 0, el algoritmo cuántico resuelve, en cierta forma, todos los cálculos posibles al mismo tiempo. Uno puede imaginar (muy aproximadamente) una computadora cuántica como un conjunto muy grande de computadoras clásicas que funcionan en paralelo. Esta riqueza de la información se llama paralelismo cuántico, y disminuye drásticamente el número de pasos necesarios para resolver un problema en una computadora cuántica. Pensemos en la siguiente analogía. Supongamos que queremos comunicar información sobre una figura geométrica tridimensional muy complicada por medio de fotografías. La computadora clásica funcionaría entonces como una cámara que sólo maneja fotos en blanco y negro. En cambio una computadora cuántica podría transmitir todos los tonos de gris además del blanco y negro. Es claro que necesitaremos muchas menos fotos para representar el objeto debido a la riqueza de la descripción cuántica.

ProblemasEsta tecnología está todavía en pañales. No podemos decir que no se están haciendo los esfuerzos grandes para vencer, al contrario, día a día se tienen grandes avances, sin embargo no son lo suficientes para lograr salvar la brecha. Uno de los más grandes problemas que se tienen es la complejidad de crear computadoras con varios qubits. Todo se complica de manera exponencial al añadir más qubits. Ya que cada qubit debe estar aislado de interferencias ya que un solo campo magnético diminuto puede alterar la información de un qubit, haciendo que esta se altere y en fin, se pierda. Además de que poner un qubit en un estado determinado. Incluso grabar una información sobre un qubit es complicado. Ya que la maquinaria es ciertamente muy sensible a los cambios ambientales a los que el computador esté expuesto.

Esto también afecta o crea problemas para leerlos. Así sea dependiendo de que si usamos fotones o electrones es complicado hacer una lectura. Por el mismo problema expuesto anteriormente. El tiempo que debe ser tratado en la lectura o en la escritura, tiempo de decoherencia es de 100 microsegundos. Aunque esto ha sido un avance desde años anteriores, 2009, donde se tenían a penas 1 microsegundo. Si las puertas tardan mucho en tratarlos el estado cuántico se vuelve incoherente. Esto ocurre por la interacción del entorno. Si los qubits son afectados se pierde toda la magia que tienen detrás por eso hay que realizar las operaciones en el menor tiempo posible. En conclusión tenemos el problema de

crear un conjunto de puertas para poder convertirlo en un computador usable y esto repercute en la necesidad de que el computador sea capaz de procesar unas determinadas operaciones mínimas para considerarlo viable.

Además del punto más grande que se tiene en cuenta es que el nuevo computador quántico tiene que competir contra una tecnología totalmente establecida. Ahora mismo incluso investigar esta tecnología cuesta cientos de millones de dólares para que quizás puedas obtener equipos no mucho más rápidos que los actuales y este es el mayor problema y la razón por la cual no acaba de despegar.

Para aprovechar el poder de la computación cuántica, los científicos deben minimizar los errores de cálculo causados por factores como la radiación electromagnética, el calor y los defectos de los materiales.

"Ya no es tan desafiante hacer un procesador con un puñado de qubits. Utilizamos técnicas de microfabricación muy similares a las que se usan para fabricar circuitos de PC. Una diferencia importante es que nuestros circuitos integrados están basados en el aluminio y el niobio y se vuelven superconductores a las temperaturas de nuestros experimentos: unos 10 miligrados centígrados por encima del cero absoluto (-273°)", (Leonardo DiCarlo, un argentino radicado en Holanda y profesor de física en la Universidad Tecnológica de Delft.)

Llegar a estos extremos de temperatura ya tampoco es muy complicado. Se usan refrigeradores comerciales que funcionan prácticamente con el presionar de un botón. "El desafío, más allá de fabricar el chip y enfriarlo, es controlarlo", resume. Esto se hace usando equipos electrónicos no cuánticos a temperatura ambiente. Efectuar este control con precisión requiere más astucia en ingeniería a medida que el número de qubits aumenta. Es por ello que el gran enfoque del equipo de DiCarlo en la Universidad Tecnológica de Delft, una de las pioneras en computación cuántica, es la versión cuántica de corrección de errores, para que "una computadora cuántica pueda seguir trabajando y obtener resultados correctos sin que el hardware cuántico y clásico sean perfectos", (DiCarlo).

A medida que se producen avances crece el interés de gobiernos y empresas por la computación cuántica. Además de los rumores sobre un dispositivo de ese tipo orientado a la seguridad de los EEUU, países como Canadá, Inglaterra, Holanda, Suiza y Rusia tomaron la iniciativa para crear centros para el desarrollo de tecnologías cuánticas, muchos de ellos uniendo universidades con industria. A esas iniciativas deben sumársele los crecientes aportes de compañías como IBM, Microsoft y Google, entre otras, para un más rápido desarrollo de la tecnología cuántica.

Por ejemplo Google trabaja duro en un proyecto llamado Quantum Artificial Intelligence Lab. En el cual tienen equipo especial para desarrollar hardware dedicado a la computación cuántica. Google tiene tiempo interesado en el tema de

la computación cuántica y desde mayo del año pasado comenzó a formalizar su incursión en este campo con la creación de un laboratorio en conjunto con la NASA y Universities Space Research Association. Este laboratorio de inteligencia artificial basado en la computación cuántica llamado Quantum Artificial Intelligence Lab ha anunciado el día de hoy que ha puesto en marcha una iniciativa para desarrollar hardware dedicado a diseñar y construir nuevos procesadores de información cuántica basados en la electrónica de superconductores.

ConclusionesSe puede decir que nos aproximamos, aunque a paso lento, a l fin de la computación clásica. Esto hará que los mismos programadores evolucionen de la simpleza de la matemática discreta a la matemática cuántica para poder lograr programaciones precisas que sean óptimas en la computación cuántica. Entonces el mundo deja de ser en “blanco y negro”, a pasar, por así decirlo en una escala de grises.

Sin embargo, todavía existen complicaciones en la computación cuántica como por ejemplo hacer viable una computadora que tenga varios qubits para que sea eficiente. Sin embargo los qubits al ser muy sensibles a cambios electromagnéticos, pueden fallar al guardar o procesar información, esto hace aún ineficiente la producción de un computador cuántico a un precio moderado.

Referencias http://hipertextual.com/2014/09/google-computacion-cuantica http://www.fis.cinvestav.mx/~orosas/difusion/qcomp.pdf http://computadoras.about.com/od/tipos-de-pc/fl/iquestQueacute-es-la-

computacioacuten-cuaacutentica.htm http://computerhoy.com/noticias/hardware/que-es-computacion-cuantica-

20079 http://www.infobae.com/2014/08/06/1585797-el-asalto-la-computacion-

cuantica-relatada-uno-sus-principales-protagonistas