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Un paso más cerca de la computadora cuántica

Serie de avances en computación cuántica

Una computadora ordinaria, que ahora se conoce como computadora clásica o tradicional, funciona con el concepto básico de ceros y unos (ceros y unos). Cuando le preguntamos al computadora para hacer una tarea por nosotros, por ejemplo, un cálculo matemático o la reserva de una cita o cualquier cosa relacionada con la vida cotidiana, esta tarea en el momento dado se convierte (o traduce) en una cadena de 0 y 1 (que luego se llama el entrada), esta entrada es procesada por un algoritmo (definido como un conjunto de reglas que se deben seguir para completar una tarea en una computadora). Después de este procesamiento, se devuelve una nueva cadena de 0 y 1 (denominada salida), que codifica el resultado esperado y se traduce de nuevo a información más sencilla y fácil de usar como una "respuesta" a lo que el usuario quería que hiciera la computadora. . Es fascinante que no importa cuán inteligente o inteligente pueda parecer el algoritmo y cualquiera que sea el nivel de dificultad de la tarea, un algoritmo de computadora solo hace una cosa: manipular una cadena de bits, donde cada bit es 0 o 1. El la manipulación ocurre en la computadora (en el extremo del software) y en el nivel de la máquina esto está representado por circuitos eléctricos (en la placa base de la computadora). En terminología de hardware, cuando la corriente pasa a través de estos circuitos eléctricos, se cierra y se abre cuando no hay corriente.

Computadora clásica Vs Quantum

Por lo tanto, en las computadoras clásicas, un bit es una sola pieza de información que puede existir en dos estados posibles: 0 o 1. Sin embargo, si hablamos de cuántico computadoras, generalmente usan bits cuánticos (también llamados 'qubits'). Estos son sistemas cuánticos con dos estados, sin embargo, a diferencia del bit habitual (almacenado como 0 o 1), los qubits pueden almacenar mucha más información y pueden existir en cualquier suposición de estos valores. Para explicarlo de una mejor manera, se puede pensar en un qubit como una esfera imaginaria, donde qubit puede ser cualquier punto de la esfera. Se puede decir que la computación cuántica aprovecha la capacidad de las partículas subatómicas para existir en más de un estado en un momento dado y aún así ser mutuamente excluyentes. Por otro lado, un bit clásico solo puede estar en dos estados, por ejemplo, al final de dos polos de la esfera. En la vida ordinaria no podemos ver esta 'superposición' porque una vez que se ve un sistema en su totalidad, estas superposiciones desaparecen y esta es la razón por la que la comprensión de tales superposiciones no está clara.

Lo que esto significa para las computadoras es que las computadoras cuánticas que usan qubits pueden almacenar una gran cantidad de información usando menos energía que una computadora clásica y, por lo tanto, las operaciones o cálculos se pueden realizar relativamente mucho más rápido en una computadora cuántica. Entonces, una computadora clásica puede tomar un 0 o un 1, dos bits en esta computadora pueden estar en cuatro estados posibles (00, 01, 10 u 11), pero solo se representa un estado en un momento dado. Una computadora cuántica, por otro lado, trabaja con partículas que pueden estar en superposición, lo que permite que dos qubits representen exactamente los mismos cuatro estados al mismo tiempo debido a la propiedad de superposición que libera a las computadoras de la "restricción binaria". Esto puede equivaler a cuatro ordenadores funcionando simultáneamente y si sumamos estos qubits, la potencia del ordenador cuántico crece exponencialmente. Las computadoras cuánticas también aprovechan otra propiedad de la física cuántica llamada 'entrelazamiento cuántico', definida por Albert Einstein; el entrelazamiento es una propiedad que permite que las partículas cuánticas se conecten y se comuniquen independientemente de su ubicación en el universo de modo que cambiar el estado de uno puede afectar instantáneamente al otro. Las capacidades duales de "superposición" y "entrelazamiento" son bastante poderosas en principio. Por lo tanto, lo que una computadora cuántica puede lograr es inimaginable en comparación con las computadoras clásicas. Todo esto suena muy emocionante y sencillo, sin embargo, hay un problema en este escenario. Una computadora cuántica, si toma qubits (bits superpuestos) como entrada, su salida también será similar en un estado cuántico, es decir, una salida con bits superpuestos que también puede seguir cambiando dependiendo del estado en el que se encuentre. Este tipo de salida no Realmente no nos permite recibir toda la información y, por lo tanto, el mayor desafío en el arte de la computación cuántica es encontrar formas de obtener la mayor cantidad de información a partir de esta salida cuántica.

¡La computadora cuántica estará aquí!

Las computadoras cuánticas pueden definirse como máquinas poderosas, basadas en los principios de la mecánica cuántica que adoptan un enfoque completamente nuevo para procesar información. Buscan explorar leyes complejas de la naturaleza que siempre han existido pero que generalmente han permanecido ocultas. Si se pueden explorar estos fenómenos naturales, la computación cuántica puede ejecutar nuevos tipos de algoritmos para procesar información y esto podría conducir a avances innovadores en la ciencia de materiales, el descubrimiento de fármacos, la robótica y la inteligencia artificial. La idea de una computadora cuántica fue propuesta por el físico teórico estadounidense Richard Feynman allá por 1982. Y hoy en día, empresas de tecnología (como IBM, Microsoft, Google, Intel) e instituciones académicas (como el MIT y la Universidad de Princeton) están trabajando en tecnología cuántica. prototipos de computadora para crear una computadora cuántica convencional. International Business Machines Corp. (IBM) ha dicho recientemente que sus científicos han construido una potente plataforma de computación cuántica y que puede estar disponible para su acceso, pero señala que no es suficiente para realizar la mayoría de las tareas. Dicen que un prototipo de 50 qubits que se está desarrollando actualmente puede resolver muchos problemas que los ordenadores clásicos resuelven hoy en día y que en el futuro ordenadores de 50 a 100 qubits cubrirían en gran medida el vacío, es decir, un ordenador cuántico con sólo unos pocos cientos de qubits sería capaz de resolver Realizar más cálculos simultáneamente que átomos en el universo conocido. universo. Hablando de manera realista, el camino hacia el punto en que una computadora cuántica pueda realmente superar a una computadora clásica en tareas difíciles está plagado de dificultades y desafíos. Recientemente Intel ha declarado que el nuevo ordenador cuántico de 49 qubits de la empresa representaba un paso hacia esta "supremacía cuántica", en un avance importante para la empresa que había demostrado un sistema de qubits de 17 bits hace sólo dos meses. Su prioridad es seguir ampliando el proyecto, basándose en el entendimiento de que ampliar el número de qubits es la clave para crear computadoras cuánticas que puedan ofrecer resultados en el mundo real.

El material es clave para construir una computadora cuántica

El material de silicio ha sido una parte integral de la informática durante décadas porque su conjunto clave de capacidades lo hace muy adecuado para la informática general (o clásica). Sin embargo, en lo que respecta a la computación cuántica, las soluciones basadas en silicio no se han adoptado principalmente por dos razones: en primer lugar, es difícil controlar los qubits fabricados en silicio y, en segundo lugar, aún no está claro si los qubits de silicio podrían escalar tan bien como otros. soluciones. En un avance importante, Intel ha desarrollado muy recientemente1 un nuevo tipo de qubit conocido como 'spin qubit' que se produce en silicio convencional. Los qubits de espín se parecen mucho a la electrónica de semiconductores y entregan su potencia cuántica aprovechando el espín de un solo electrón en un dispositivo de silicio y controlando el movimiento con diminutos pulsos de microondas. Dos ventajas importantes que llevaron a Intel a moverse en esta dirección son, en primer lugar, Intel, como empresa, ya ha invertido mucho en la industria del silicio y, por lo tanto, tiene la experiencia adecuada en el silicio. En segundo lugar, los qubits de silicio son más beneficiosos porque son más pequeños que los qubits convencionales y se espera que mantengan la coherencia durante un período de tiempo más largo. Esto es de suma importancia cuando los sistemas de computación cuántica necesitan ampliarse (por ejemplo, pasando de 100 qubit a 200 qubit). Intel está probando este prototipo y la compañía espera producir chips que tengan miles de pequeños arreglos de qubit y tal producción cuando se hace a granel puede ser muy buena para escalar las computadoras cuánticas y puede ser un verdadero cambio de juego.

En una investigación reciente publicada en Ciencia:, un equipo de la Universidad de Maryland, EE.UU.2. Estos fotones son la cantidad más pequeña de luz conocida y estos cristales estaban atrincherados con agujeros que hacen que la luz interactúe. Diferentes patrones de agujeros cambian la forma en que la luz se dobla y rebota a través del cristal y aquí se hicieron miles de agujeros triangulares. Este uso de fotones individuales es importante para el proceso de creación de computadoras cuánticas porque las computadoras tendrán la capacidad de calcular grandes números y reacciones químicas que las computadoras actuales no pueden hacer. El diseño del chip hace posible que la transferencia de fotones entre computadoras cuánticas ocurra sin pérdidas. Esta pérdida también se ha visto como un gran desafío para las computadoras cuánticas y, por lo tanto, este chip se encarga del problema y permite una ruta eficiente de cuántico información de un sistema a otro.

Futuro

Las computadoras cuánticas prometen realizar cálculos mucho más allá de cualquier supercomputadora convencional. Tienen el potencial de revolucionar el descubrimiento de nuevos materiales al permitir simular el comportamiento de la materia hasta el nivel atómico. También genera esperanza para la inteligencia artificial y la robótica al procesar datos de manera más rápida y eficiente. Cualquiera de las principales organizaciones podría llevar a cabo la entrega de un sistema de computación cuántica comercialmente viable en los próximos años, ya que esta investigación aún tiene un final abierto y es un juego justo para todos. Se esperan anuncios importantes en los próximos cinco a siete años e idealmente hablando con la serie de avances que se están realizando, los problemas de ingeniería deberían abordarse y una computadora cuántica de 1 millón o más de qubits debería ser una realidad.

***

{Puede leer el trabajo de investigación original haciendo clic en el enlace DOI que figura a continuación en la lista de fuentes citadas}

Fuentes)

1. Castelvecchi D. 2018. El silicio gana terreno en la carrera de la computación cuántica. Naturaleza. 553 (7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3

2. Sabyasachi B. et al. 2018. Una interfaz de óptica cuántica topológica. Ciencias. 359 (6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327

Equipo SCIEU
Equipo SCIEUhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
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