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Computación cuántica

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Imagine una computadora cuya memoria es exponencialmente más grande que su tamaño físico aparente; una computadora que puede manipular un conjunto exponencial de entradas simultáneamente; una computadora que calcula en la zona crepuscular del espacio. Estarías pensando en una computadora cuántica. Se necesitan relativamente pocos y simples conceptos de la mecánica cuántica para que las computadoras cuánticas sean una posibilidad. La sutileza ha estado en aprender a manipular estos conceptos. ¿Es una computadora así una inevitabilidad o será demasiado difícil de construir?

Según las extrañas leyes de la mecánica cuántica, Folger, editor senior de Discover, señala que; un electrón, protón u otra partícula subatómica está “en más de un lugar a la vez”, porque las partículas individuales se comportan como ondas, estos lugares diferentes son estados diferentes en los que un átomo puede existir simultáneamente.

¿Cuál es el problema de la computación cuántica? Imagina que estás en un gran edificio de oficinas y tuvieras que recuperar un maletín dejado en un escritorio elegido al azar en una de las cientos de oficinas. De la misma manera que tendría que caminar por el edificio, abriendo las puertas una a la vez para encontrar el maletín, una computadora común tiene que abrirse paso a través de largas cadenas de 1 y 0 hasta llegar a la respuesta. Pero, ¿qué pasaría si en lugar de tener que buscar por ti mismo, pudieras crear instantáneamente tantas copias de ti mismo como habitaciones haya en el edificio? Todas las copias pudieran espiar simultáneamente en todas las oficinas, y el que encuentra el maletín se convierte en tu verdadero tú. el resto simplemente desaparece. – (David Freeman, descubre)

David Deutsch, físico de la Universidad de Oxford, argumentó que podría ser posible construir una computadora extremadamente poderosa basada en esta peculiar realidad. En 1994, Peter Shor, matemático de AT&T Bell Laboratories en Nueva Jersey, demostró que, al menos en teoría, una computadora cuántica en toda regla podría factorizar incluso los números más grandes en segundos; un logro imposible incluso para la computadora convencional más rápida. Un brote de teorías y discusiones sobre la posibilidad de construir una computadora cuántica se impregna ahora a través de los campos cuánticos de la tecnología y la investigación.

Sus raíces se remontan a 1981, cuando Richard Feynman señaló que los físicos siempre parecen encontrarse con problemas computacionales cuando intentan simular un sistema en el que tendría lugar la mecánica cuántica. Los cálculos que involucran el comportamiento de átomos, electrones o fotones, requieren una inmensa cantidad de tiempo en las computadoras actuales. En 1985, en Oxford, Inglaterra, la primera descripción de cómo podría funcionar una computadora cuántica surgió con las teorías de David Deutsch. El nuevo dispositivo no solo podría superar en velocidad a las computadoras actuales, sino que también podría realizar algunas operaciones lógicas que las convencionales no podían.

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Esta investigación comenzó a analizar la construcción de un dispositivo y, con el visto bueno y la financiación adicional de AT&T Bell Laboratories en Murray Hill, Nueva Jersey, se agregó un nuevo miembro al equipo. Peter Shor hizo el descubrimiento de que la computación cuántica puede acelerar enormemente la factorización de números enteros. Es más que un simple paso en la tecnología de microinformática, podría ofrecer información sobre aplicaciones del mundo real como la criptografía.

“Hay una esperanza al final del túnel de que las computadoras cuánticas algún día se conviertan en una realidad”, dice Gilles Brassard de la Universidad de Montreal. La mecánica cuántica da una claridad inesperada en la descripción del comportamiento de átomos, electrones y fotones en los niveles microscópicos. Aunque esta información no es aplicable en los usos domésticos cotidianos, ciertamente se aplica a todas las interacciones de la materia que podemos ver, los beneficios reales de este conocimiento apenas comienzan a mostrarse.

En nuestras computadoras, las placas de circuito están diseñadas de modo que un 1 o un 0 esté representado por diferentes cantidades de electricidad, el resultado de una posibilidad no tiene ningún efecto sobre la otra. Sin embargo, surge un problema cuando se introducen las teorías cuánticas, los resultados provienen de una sola pieza de hardware que existe en dos realidades separadas y estas realidades se superponen entre sí y afectan ambos resultados a la vez. Sin embargo, estos problemas pueden convertirse en una de las mayores fortalezas de la nueva computadora, si es posible programar los resultados de tal manera que los efectos indeseables se cancelen mientras que los positivos se refuercen entre sí.

Este sistema cuántico debe poder programar la ecuación en él, verificar su cálculo y extraer los resultados. Los investigadores han examinado varios sistemas posibles, uno de los cuales implica el uso de electrones, átomos o iones atrapados dentro de los campos magnéticos, luego se usarían láseres que se cruzan para excitar las partículas confinadas a la longitud de onda correcta y una segunda vez para restaurar las partículas. a su estado fundamental. Se podría usar una secuencia de pulsos para ordenar las partículas en un patrón utilizable en nuestro sistema de ecuaciones.

Otra posibilidad de Seth Lloyd del MIT propuso el uso de polímeros orgánico-metálicos (moléculas unidimensionales hechas de átomos repetidos). Los estados de energía de un átomo dado estarían determinados por su interacción con los átomos vecinos de la cadena. Los pulsos de láser podrían usarse para enviar señales a lo largo de la cadena del polímero y los dos extremos crearían dos estados de energía únicos.

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Una tercera propuesta fue reemplazar las moléculas orgánicas con cristales en los que la información se almacenaría en los cristales en frecuencias específicas que podrían procesarse con pulsos adicionales. Los núcleos atómicos, girando en cualquiera de los dos estados (en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj) podrían programarse con la punta de un microscopio atómico, ya sea “leyendo” su superficie o alterándola, lo que por supuesto sería “escribir” parte del almacenamiento de información. “Movimientos repetitivos de la punta, eventualmente podría escribir cualquier circuito lógico deseado”, dijo DiVincenzo.

Sin embargo, este poder tiene un precio, ya que estos estados tendrían que permanecer completamente aislados de todo, incluido un fotón perdido. Estas influencias externas se acumularían, haciendo que el sistema se desvíe del camino e incluso podría dar la vuelta y terminar retrocediendo, lo que provocaría errores frecuentes. Para evitar que esto forme nuevas teorías han surgido para superar esto. Una forma es mantener los cálculos relativamente cortos para reducir las posibilidades de error, otra sería restaurar copias redundantes de la información en máquinas separadas y tomar el promedio (modo) de las respuestas.

Sin duda, esto renunciaría a cualquier ventaja para la computadora cuántica, por lo que AT&T Bell Laboratories ha inventado un método de corrección de errores en el que el bit cuántico de datos se codificaría en uno de nueve bits cuánticos. Si uno de los nueve se perdiera, entonces sería posible recuperar los datos a partir de la información que se transmitió. Esta sería la posición protegida en la que entraría el estado cuántico antes de ser transmitido. Además, dado que los estados de los átomos existen en dos estados, si uno se corrompiera, el estado del átomo podría determinarse simplemente observando el extremo opuesto del átomo, ya que cada lado contiene la polaridad exactamente opuesta.

Las puertas que transmitirían la información es en lo que se enfocan principalmente los investigadores de hoy, esta única puerta lógica cuántica y su disposición de componentes para realizar una operación en particular. Una de esas puertas podría controlar el cambio de 1 a 0 y viceversa, mientras que otra podría tomar dos bits y hacer que el resultado sea 0 si ambos son iguales, 1 si son diferentes.

Estas puertas serían filas de iones retenidos en una trampa magnética o átomos individuales que pasan a través de cavidades de microondas. Esta puerta única podría construirse dentro de uno o dos años, pero una computadora lógica debe tener millones de puertas para ser práctica. Tycho Sleator de NYU y Harald Weinfurter de UIA ven las puertas de la lógica cuántica como pasos simples para hacer una red de lógica cuántica.

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Estas redes no serían más que filas de puertas interactuando entre sí. Los rayos láser que brillan sobre los iones provocan una transición de un estado cuántico a otro, lo que puede alterar el tipo de movimiento colectivo posible en la matriz y, por lo tanto, se podrían usar frecuencias de luz específicas para controlar las interacciones entre los iones. Un nombre dado a estas matrices se ha denominado “matrices de puntos cuánticos” porque los electrones individuales se limitarían a las estructuras de puntos cuánticos, codificando información para realizar operaciones matemáticas desde la simple suma hasta la factorización de esos números enteros.

Las estructuras de “puntos cuánticos” se basarían en los avances en la fabricación de cajas semiconductoras microscópicas, cuyas paredes mantienen los electrones confinados a la pequeña región del material, otra forma de controlar la forma en que se procesa la información. Craig Lent, el investigador principal del proyecto, basa esto en una unidad que consta de cinco puntos cuánticos, uno en el centro y cuatro y en los extremos de un cuadrado, los electrones serían tunelizados entre cualquiera de los dos sitios.

Unirlos crearía los circuitos lógicos que requeriría la nueva computadora cuántica. La distancia sería suficiente para crear “cables binarios” hechos de filas de estas unidades, volteando el estado en un extremo provocando una reacción en cadena para voltear todos los estados de las unidades hacia abajo a lo largo del cable, al igual que los dominós actuales transmiten inercia. La especulación sobre el impacto de dicha tecnología se ha debatido y soñado durante años.

En los puntos de discusión, el punto de que su daño potencial podría ser que la velocidad computacional podría frustrar cualquier intento de seguridad, especialmente el estándar de cifrado de datos de la NSA ahora sería inútil ya que el algoritmo sería un problema trivial para tal máquina. Por último, esta realidad soñada apareció por primera vez en el programa de televisión Quantum Leap, donde esta tecnología se hace evidente cuando se menciona a Ziggy, la computadora híbrida paralela que ha diseñado y programado, las capacidades de un espejo de computadora cuántica que de la computadora híbrida del programa.

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