Computadora cuántica

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Computadora Cuántica
Juan Matute
[email protected]
Universisdad Politécnica Salesiana
Ing. Rene Ávila
Electrónica Analógica II
Resumen—La Computadora utiliza la superposición y el
enmarañamiento que son utilizados por la mecánica cuántica
con mayor eficiencia, para ejecutar algunos procesos y realizar
cálculos con ventajas respecto a los sistemas tradicionales. Esta
tecnología está en desarrollo .
Index Terms—Computación cuántica. Qubit. Superposición.
Enmarañamiento. Algoritmos cuánticos. Teoría de la Información.
I. I NTRODUCCION
La computación cuántica es una computacion diferente al
de la computación clásica. Se se utiliza qubits en lugar de
bits, estas computadoras da lugar a nuevas puertas lógicas
que hacen posibles nuevos algoritmos. Una misma tarea puede
ser diferente complejidad en la computación clásica y en la
computación cuántica, lo que ha dado lugar, a que algunos
problemas intratables pasan a ser tratables. [1]
II. R ESEÑA H ISTÓRICA
Hubo varios teóricos que propusieron el concepto de las
computadoras cuánticas en las décadas de 1970 y 1980,
pero muchos científicos dudaron que alguna vez ese tipo de
computadora pudiera resultar práctica. Pero en 1994, Peter
Shor, de AT and T Research, describió un algoritmo cuántico
específicamente diseñado para factorizar números grandes y
exponencialmente más rápido que las computadoras convencionales, este computador es lo suficientemente rápido como
para birlar la seguridad de muchos criptosistemas de clave
pública. La eficiencia del algoritmo de Shor alentó a muchos
científicos a explotar las capacidades de las computadoras
cuánticas. En los últimos años, muchos grupos de investigación de todo el mundo han alcanzado progresos significativos.
más importantes del mundo. Dirigió el grupo que demostró
la primera computadora cuántica de 1 qubit (en 1998 en la
Universidad de California en Berkeley). En IBM Almaden,
Chuang y sus colegas fueron los primeros en demostrar
los importantes algoritmos cuánticos, el algoritmo de Grover
concebido en 1999 para hacer búsquedas en bases de datos con
ayuda de una computadora cuántica de 3 qubits, y la búsqueda
de pedidos ideada el año pasado (agosto del 2000) con una
computadora cuántica de 5 qubits. La factorización con el
algoritmo de Shor anunciada hoy es el algoritmo más complejo
que se haya demostrado hasta ahora usando una computadora
cuántica. [2]
III.
P RINCIPIO DE F UNCIONAMIENTO
Este funcionamiento esta relacionado con la física cuántica, los científicos han estudiado muy a fondo la teoría
de la información y como pueden relacionarla con la teoría
cuántica que nos describe como es el comportamiento del
mundo subatómico. En una computadora clásica, la unidad
de información básica es el bit que solo toma valores de 0 ó
1. En una computadora cuántica la unidad de información, es
la qubit (quantum bit), la cual toma dos valores a la vez, este
fenómeno se conoce como superposición cuántica. Los qubits
son átomos o núcleos de átomicos que forman la memoria
y el procesador de la máquina. Esta dualidad de la materia a
nivel microscópico permite a la computadora trabajar de forma
muchísimo más veloz y realizar operaciones en paralelo sin
necesidad de agregar procesadores a la máquina.
Figura 2.
Figura 1.
Mientras estuvo en IBM, Chuang amplió su reputación
como uno de los experimentalistas en computación cuántica
D-Wave es la única Compañía de computación cuántica que
existe comercialmente en el mundo, respaldada con un capital
de más de $20 millones. Su objetivo es para fines comerciales,
los Computadores Cuánticos que puedan ser usados online o
enviados a piezas destinadas a albergar equipos para resolver
complejos y costosos problemas tales como optimizaciones
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financieras. Se ha predicho que la computación cuántica hará
de la seguridad computacional algo obsoleto, al ser capaz
de “hackear” cualquier esquema de codificación, por muy
complejo que este sea, al entregar una cantidad ilimitada
de recursos de procesamiento simultáneos. Múltiples estados cuánticos existen al mismo tiempo, así es que cada bit
cuántico, o “qubit”, es simultáneamente un “0´´ y un “1´´.El
prototipo de D-Wave consta sólo de 16 qubits, pero sistemas
con cientos de qubits podrían ser capaces de procesar una
cantidad inimaginable de información de entrada. [3]
IV.
E NMARAÑAMIENTO C UÁNTICA
Al parecer, una partícula puede transmitir rapidamente información a otra, o sea en tiempo cero estando una separada de la
otra por millones de años luz, esto implicaría que se podría viajar a estrellas muy distantes y superar la velocidad de la luz, las
dos particulas podrian estar interconectadas instantaneamente
a pesar de que mediara entre ellas una gran distancia. En base
a estos principios se esta investigando la teletransportación y
se han conseguido ya resultados satisfactorios en laboratorio
donde se teletransportó un pequeño trozo macroscópico de
cesio a una distancia de sólo medio metro.
VI.
VI-A.
VI-B.
Compuertas cuánticas
Las compuertas muy parecidas con las que utilizamos en la
actualidad, con la diferencia de que éstas trabajan sobre qubits.
S UPERPOSICIÓN C UÁNTICA
Una aplicación del principio de la superposición a la mecánica cuántica es la Superposición cuántica . Ocurre cuando un
objeto "posee simultáneamente" dos o más valores de una cantidad observable. Siendo mas específico, en mecánica cuántica,
cualquier cantidad observable corresponde a un autovector de
un operador lineal hermítico. La combinación lineal de dos o
más autovectores da lugar a la superposición cuántica de dos
o más valores de la cantidad. Si se mide la cantidad,entonces,
el postulado de proyección establece que el estado colapsa
aleatoriamente sobre uno de los valores de la superposición
(con una probabilidad proporcional al cuadrado de la amplitud
de ese autovector en la combinación lineal). Immediatamente
después de la medida, el estado del sistema será el autovector que corresponde con el autovalor medido. Es natural
preguntarse por qué los objetos (macroscópicos, newtonianos)
y los acontecimientos "reales" no parecen exhibir propiedades
mecánico cuánticas tales como la superposición. En 1935,
Erwin Schrödinger ideó un experimento imaginario, ahora
llamado el gato de Schrödinger, que destacó la disonancia
entre la mecánica cuántica y la física newtoniana. De hecho, la
superposición cuántica da lugar a muchos efectos directamente
observables, tales como los picos de interferencia de una
onda de electrón en el experimento de doble-rendija. Si los
operadores correspondientes a dos observables no conmutan,
entonces no tienen autofunciones simultáneas y, por tanto,
obedecen el principio de indeterminación. Un estado que tiene
un valor definido de uno de los dos observables corresponde a
una superposición de muchos estados para el otro observable.
V.
vector de n qubits representa a la vez 2n estados, de forma que
un vector de 2 qubits representa los estados 00, 01, 10 y 11.
Con 2 estados discretos distintos, cualquier sistema cuántico
puede servir como qubit, un spin de electrón que apunta arriba
o abajo, o un spin de fotón con polarización horizontal o
vertical.
C ARACTERÍSTICAS DE UN C OMPUTADOR C UÁNTICO
El qubit
Su nombre esta representado por sus siglas: quantum bit,
que representa ambos estados (0 y 1) al mismo tiempo. Un
VI-C.
Entanglement
Debido a este fenómeno ( Entanglement ), si 2 partículas son
generadas en un mismo proceso, permanecen relacionadas una
con la otra, de tal forma que no se pueden describir de forma
aislada los subsistemas que forman. En el momento en el que
cualquiera de las dos partículas cambia de estado, repercute
en la otra. Esto se produce al intentar medir el estado de una
de ellas. [2]
VI-D.
Teletransportación cuántica
Fue descrita por Stean como “la posibilidad de transmitir
qubits sin enviar qubits". Mientras que en la computación
tradicional para transmitir bits estos son clonados/copiados y
posteriormente enviados por diversos medios de transmisión. . .
en la computación cuántica esto no es posible. A la hora
de enviar un qubit, el receptor no llegará a saber cuál era
su estado anterior con certeza, pues como hemos comentado
anteriormente, cualquier intento de medirlo produce una modificación en dicho estado, de tal manera que se pierde, siendo
ya imposible recuperarlo. Sin embargo, podemos solucionar
este problema a través del fenómeno del “entanglement". Para
ello, lo que se hace es enredar los qubits del emisor y el
receptor, de tal modo que el qubit del emisor se transmite
desapareciendo del emisor, y llegando al receptor el qubit
teletransportado. Dicha teletransportación se produce por el
denominado efecto EPR, mediante el cual tras enredar los dos
qubits en el emisor (junto al bit cuántico original que deseamos
transmitir) y receptor, y posteriormente separarlos, al realizar
la lectura del estado original, estos cambian su estado a otro
cualquiera, de tal manera que la información es enviada al
receptor, que la utiliza para tratar su bit, de forma que éste
acaba siendo idéntico al original.
VI-E.
El paralelismo cuántico
Mediante la superposición cuántica, al utilizar puertas lógicas cuánticas, conseguimos un paralelismo, en cálculos,
exponencial. Esto es debido a que a diferencia de los bits
convencionales, los bits cuánticos pueden existir en un estado
de superposición.
VII.
D ESVENTAJAS DE LA C OMPUTADORA C UÁNTICA
Obtener un sistema que realice cálculos cuánticos es muy
complicada, muy a parte del sistema físico que usemos. La
influencia del medioambiente alrededor del sistema esta en
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nuestra contra, sobre todo debido a 2 efectos, el decaimiento
y la de coherencia. El decaimiento consiste en la fuga de
energía desde el sistema al medio, forzando a los estados
de energía más alta a evolucionar emitiendo energía hacia
los estados de mínima energía, produciéndose la mezcla
inicial de estados y convirtiéndose en una mezcla de sólo
los estados de menor energía. La de coherencia, este no
implica intercambio de energía con el medio ambiente, sino
perdida de información. Este efecto es la razón de que los
objetos macroscópicos a nuestro alrededor no presenten el
comportamiento dictado por lamecánica cuántica, ya que el
medio elimina la mezcla de estados típica de la física cuántica
como sise realiza continuamente una serie de medidas sobre
el sistema. Debido a que la mezcla de estadoses la que da
potencia a la computación, cualquiera de estos dos procesos
son nefastos para laconsecución del cálculo. La solución a
estos problemas pasa por mantener el sistema tan aislado dela
influencia externa como sea posible mientras dure el cálculo.
VIII.
A PLICACIONES DE LAS C OMPUTADORAS
C UÁNTICAS
"Si fuera posible encontrar algoritmos y hardware que
exploten eficientemente la superposición del qubit, podrían obtenerse ahorros exponenciales en el tiempo de
procesamiento. Un ejemplo de esto es la factorización de
números grandes (encontrar números que al multiplicarse
arrojen el número del cual son factores), en donde las
computadoras actuales ven incrementado su tiempo de
procesamiento en forma exponencial según aumente el
número de dígitos de la cantidad a factorizar.
De hecho, los algoritmos actuales para codificar y enviar
en forma encriptada información a través de Internet, basan su seguridad en la imposibilidad de las computadoras
actuales de encontrar en un tiempo razonable, los factores
de un determinado número. El computador cuántico haría
obsoletos dichos mecanismos de encriptación.
Encriptación: Si bien el computador cuántico haría obsoletos los mecanismos actuales, también provee una
solución alternativa basada no tanto en las matemáticas,
sino en las leyes de la física por lo que esta solución
podría ser prácticamente imposible de violar por los
amantes de lo ajeno.
Teleportación: Se refiere a comunicar el estado físico de
un objeto a otro objeto ubicado en otra parte.
La factorización de grandes números : Una computadora
actual se estima que tardaría varios miles de millones de
años para factorizar un número de 1000 dígitos, mientras
que un computador cuántico lo haría en ¡20 minutos!.
La búsqueda en bases de datos : Las búsquedas en bases
de datos no ordenadas se realizan actualmente al azar
(ningún algoritmo es más eficiente) y para localizar un
dato en especial se requiere en promedio de N/2 intentos,
donde N es el número total de datos. Un computador
cuántico podría realizar lo anterior en un número de
intentos igual a la raíz cuadrada de N. Así por ejemplo si
N es igual a un millón, una computadora actual tendría
que intentar 500,000 veces, mientras que el computador
cuántico lo haría sólo 1,000 veces". [4]
IX.
C ONCLUSIONES
En este ensayo concluimos con lo que es una computadora cuántica desarrollando una resena histórica para
descubrir sus inicios de este tipo de computadoras, el
efecto q esta causando en la actualidad el uso de las
mismas ya que por lo investigado nos podemos dar en
cuanta que estas computadoras son mucho mas eficientes
de alguna manera por así decirlo que las computadoras
clásicas ya que se utilizaun qubit, se puede realizar la
teleportación, la factorización de grandes números.
Tambien concluimos que las computadoras cuánticas
también tienen sus desventajas ya q afectan al medio
ambiente sobre todo a causa de dos efectos el del
decaimiento y la coherencia por la fuga de energia que
causan .
R EFERENCIAS
[1] Alejandro Díaz Caro , Julián Samborski Forlese ,
Departamento de Ciencias de la Computación - FCEIA - UNR:
http://www.fceia.unr.edu.ar/~diazcaro/QC/Brevisima.Introduccion.pdf
[2] ANDRES
MAURICIO
GONZÁLEZ
SEPULVEDA,
FUNDACION
UNIVERSITARIA
SAN
MARTIN,
FACULTAD DE INGENIERIA, INGENIERIA DE SISTEMAS
:
http://www.monografias.com/trabajos16/computacioncuantica/computacion-cuantica.shtml
[3] http://www.inadecuado.com/articulos/2007/2/anuncian-laprimera-computadora-cuntica
[4] http://www.taringa.net/posts/cienciaeducacion/6252685/Computadoras-cuanticas_-el-futuro-dela-tecnologia_.html