Seguridad para la futura computación cuántica en la ‘nube’

Los ordenadores cuánticos, además de ofrecer nuevas posibilidades en los cálculos, han de preservar la privacidad de la información. Un equipo de la Universidad de Viena ha presentado una demostración experimental de computación cuántica ‘ciega’, en la que el ordenador desconoce tanto los datos de entrada como los de salida.

Se espera que los ordenadores cuánticos jueguen un importante papel en el futuro. Todavía no se han conseguido construir y parece que el proceso será complicado. Por ello, es posible que estas máquinas solo existan en determinados lugares, como sucede hoy en día con los superordenadores, y que para realizar las operaciones que ofrecen, irrealizables con las computadoras normales, haya que acudir a uno de estos puntos.

En este caso, las personas que quieran realizar los cálculos tendrán que introducir sus datos en la máquina y recibir los resultados, siguiendo la tendencia actual de la “nube”, en la que la información es almacenada y procesada en servidores centrales remotos. Pero puede ser que tanto las entradas como las salidas sean confidenciales, y que al usuario no le interese que se registren en el ordenador.

Con esta motivación, un equipo internacional en el que participan investigadores de la Universidad de Viena (Austria) y del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (también en Viena) ha combinado la potencia de la computación cuántica con la seguridad de la criptografía cuántica para crear un protocolo seguro.

“La física cuántica soluciona uno de los retos clave en la computación distribuida. Puede preservar la privacidad de los datos cuando los usuarios interactúan con centros de computación remotos”, afirma Stefanie Barz, autora principal del estudio e investigadora de la Universidad de Viena.

Estos avances, publicados en la revista Science, permitirían utilizar un servidor cuántico para realizar cálculos, garantizando que los datos del usuario quedaran totalmente seguros. El servidor realizaría las operaciones pero sin capacidad para saber lo que estaría haciendo.

Fotones para codificar qubits

Los investigadores han demostrado esta idea en un experimento en el que han conseguido realizar la primera computación cuántica en la cual los datos quedan perfectamente encriptados. Para codificar la información han utilizado fotones. En estas partículas se pueden realizar cálculos cuánticos y se pueden transportar en largas distancias, por los que son buenas candidatas para la labor.

En este desarrollo, el usuario prepara los qubits –el equivalente a los bits en los ordenadores convencionales– en un estado que solo él conoce, y los envía a la computadora. La máquina ‘enreda’ estas unidades siguiendo un patrón estándar y procesa la información cuántica haciendo medidas de lo qubits.

El usuario adapta las instrucciones al estado de cada qubit y las manda al servidor cuántico. Una vez ejecutados los cálculos, el usuario recibe los resultados que él puede interpretar y utilizar. Este protocolo no permite a nadie que no disponga del estado inicial de los qubits leer la información.

La Computación Cuántica y sus consecuencias en la Criptografía actual

En el año de 1982 aparecen las primeras ideas de lo que hoy se conoce como computación cuántica, Feyman observa que ciertos efectos de la mecánica cuántica (leyes de la física anivel de particular elementales) no pueden ser simulados por una computadora digital, e insinúa que la computación en general puede ser eficientemente mejorada aprovechando esos efectos de la mecánica cuántica. No es hasta 1985 cuando Deutsch describe un modelo de una computadora cuántica, de alguna manera similar como en 1936 fue propuesto el modelo de la máquina de Turing que sirvió como preámbulo de las actuales computadoras.

Un principio de la máquina de Turing es afirmar que puede simular cualquier dispositivo físico, cosa que parece no ser cierta cuando se considera fenómenos de la física cuántica. Sin embargo los modelos de computación cuántica que se han propuesto deben de tener como un caso particular el modelo de la computación actual. Una computadora cuántica es hipotéticamente una máquina que usa los principios de la mecánica cuántica para realizar sus operaciones básicas.

A partir de Deutsch ha existido una gran cantidad de aportaciones a sus ideas, una nueva aportación que puede aparecer en la computación cuántica es una forma diferente de realizar los algoritmos como lo muestra el propuesto por Shor en 1994 para resolver el problema del Logaritmo Discreto y el Problema de Factorización.

En términos básicos la computación tradicional se basa en el manejo de bits, es decir la unidad de información más básica con lo que construye los puente lógicos y así un lenguaje formal con lo que operan todas las computadoras, en el caso de la computación cuántica se considera el qubits que se basa en una propiedad cuántica de la superposición, es decir que un mismo registro almacena al mismo tiempo el valor binario 0 y el 1. Esto permite que un registro de 2 qubits almacena los valores 00, 01, 10 y 11, así también un registro con 3 qubits almacena entonces los valores 000. 001, 010, 011, 100, 101, 110 y 111, en general un registro de n qubits almacena al mismo tiempo 2n valores.

Esto quiere decir de forma general que las operaciones que requieren tiempo exponencial se pueden reducir a un tiempo completamente lineal n, lo que naturalmente tendría un impacto en la criptografía actual como lo mostró Shor. Una forma de construir un qupuente es usar la transformada de Hadamard, se puede ver que las entradas a la transformada de Hadamard (|0>, | 0>,... |0>) de un registro de un n-qubits se transforman en cualquier estado del tipo (|a1>, |a2>,..., |an>) donde la |ai> es cualquier suposición del 0 o 1, esto constituye una qu-función booleana y así poder construir el qu-XOR, qu-AND, etc., lo que permitiría efectuar al menos las mismas operaciones de una computadora digital.

En 1997 se ha mostrado que la Resonancia Magnética Nuclear puede ser adaptada para lograr los requerimientos de una computadora cuántica.

En agosto pasado se dio la noticia que en los laboratorios de la IBM se había podido construir una computadora cuántica con 3 qubits, sin embargo es necesario primero construir computadoras de cientos o miles de qubits para que se considere una buenacomputadora cuántica además de resolver las dificultades de poder construirla.

Recientemente el equipo de Chaung ha podido construir una computadora cuántica de 5 qubits, generalizando el algoritmo de Shor para generar el orden de una permutación, el corazón de esto es usar la transformada de Furier cuántica que permite determinar más eficientemente la periodicidad desconocida de una función que no se sabe nada de ella.

En el experimento se usa una molécula con 5 spins sujeto a un campo magnético estático, que funciona como un qubits. Estos qubits fueron manipulados usando resonancia magnética nuclear. En este caso se resolvió el problema de "orden-finding" que simplemente significa encontrar un número mínimo de aplicaciones de una función f, hasta regresar a su estado inicial, algo similar a encontrar el orden de un elemento en un grupo finito. Cuando se colocan en un campo magnético estático cada spin tiene dos valores propios de energía discreta spin-up |0> y spin-down |1>, descritos por un Hamiltoniano. Todo esto constituye un 5-qubits en donde se pudo construir el puente lógico que efectúa eficientemente el algoritmo que resuelve el problema de "orden-finding" controlando en este caso el problema de "coherent" o de múltiple correspondencia, que es uno de los problemas más complicados para poder construir computadoras cuánticas de varios qubits.

Obviamente existen tanto tendencias pesimistas que afirman que las computadoras cuánticas nunca se podrán construir, como afirmaciones que predicen que es solo cuestión de años, es naturalmente difícil predecir cuándo se podrá tener una computadora cuántica, pero conforme pasa el tiempo se ve más claramente cual es el siguiente escalón en el desarrollo de la tecnología, desde el proceso manual, el mecánico, el electrónico, el digital y ahora el cuántico. Quizá sean entre 20 y 30 años los que tengan que pasar para ver materializada una computadora cuántica.

COMPUTADORA CUANTICA

SU(2n) seguido por una medición. Esas transformaciones, son llamadas compuertas cuánticas, y son controladas por una computadora clásica. El espacio de estados de una computadora cuántica tiene la estructura de un espacio de un vector Hermitian. Así esto permite la superposición simultanea de estados básicos ortogonales (correspondientes a estados clásicos "0" y "1") con la posibilidad de interferencia constructiva y destructiva entre las diferentes rutas de computación. Este principio permite el uso de los estados confusos (entangled states).ÎUna definición acerca de las computadoras cuánticas ampliamente aceptada por los investigadores, es la expuesta por Beth [Beth00]. El la concibe como un sistema de circuitos cuánticos, actuando en un espacio de estados, que es un espacio complejo 2n-dimensional de Hilbert. El circuito es una secuencia de transformaciones unitarias Ut

Requerimientos de implementación

Para la implementación de una computadora cuántica, se deben cumplir al menos cinco requisitos. Primero, se necesita un sistema de qubits. Segundo, los qubits deben ser individualmente direccionables y deben interactuar con otros para conformar compuertas lógicas de propósito general. Tercero, debe ser posible la inicialización de las compuertas. Cuarto, se debe tener la posibilidad de extraer los resultados computacionales. Y Quinto, es la necesidad de un tiempo de coherencia duradero.

ARQUITECTURA DE UNA COMPUTADORA CUÁNTICA

La arquitectura de una computadora cuántica es similar a la de las computadoras tradicionales, con ciertos elementos propios de la computación cuántica.

Oskin et al [Oskin02] propone una arquitectura de una computadora quántica que esta conformada por una ALU cuántica, memoria cuántica, y un planificador dinámico, tal como puede observarse en la figura 2.

La corrección de errores es un aspecto que debe ser tomado muy en cuenta en el diseño de una arquitectura cuántica.

Figura 2. Arquitectura cuántica.

1. ALU cuántica

La ALU cuántica tiene como funciones fundamentales la ejecución de operaciones cuánticas y la corrección de errores.

La ALU prepara los datos cuánticos, antes de ejecutar cualquier compuerta lógica, aplicando una secuencia de transformaciones cuánticas básicas, que incluyen:

Hadamard (raíz cuadrada, transformada de Fourier de 1 qubit),

I, Identidad (I, NOP cuántico),

X, NOT cuántico,

Z, cambia los signos de las amplitudes),

Y = XZ,

rotación por p /4 (S),

rotación por p /8 (T), y

NOT controlado (CNOT).

La ALU aplica esta secuencia de operaciones elementales para la corrección de errores, indispensable en la computación cuántica. Este procedimiento consume estados auxiliares adicionales, para la verificación de paridad. La ALU hace uso de hardware especializado estándar, que provee estados elementales estándares, para producir los estados auxiliares adicionales.

2. Memoria cuántica

Al igual que en las arquitecturas actuales en la arquitectura cuántica, la memoria cuántica es un elemento arquitectural muy importante. La memoria cuántica debe ser confiable, con el propósito de dotarla de tal característica Oskin et al [Oskin02] incluyen una unidad especializada de "actualización" en cada banco de memoria, cuya representación pictórica se puede apreciar en la figura 2. Una unidad especializada actualiza periódicamente los qubits lógicos individuales, ejecutando algoritmos de detección y corrección de errores.

3. Tele transportadora de código

La tele transportadora de código desde la memoria cuántica a la ALU, añade alguna funcionalidad adicional a la tele transportación cuántica convencional, proveyendo un mecanismo general para simultáneamente ejecutar operaciones mientras transporta los datos cuánticos.

Figura 3. Tele transportadora de código. [Oskin02]

Este mecanismo se usa para la corrección de errores en el codificador de código origen y en el codificador de código destino, como puede observarse en la figura 3. El emisor y el receptor entonces ejecutan qubits lógicos equivalentes en la operación de tele transportación en cada terminal del par "enredado" (entangled).

4. Planificador dinámico

Oskin et al proponen un procesador clásico de alto desempeño como parte principal del planificador dinámico. Este procesador ejecuta un algoritmo de planificación dinámico que toma operaciones cuánticas lógicas, intercaladas con construcciones clásicas de control de flujo, y dinámicamente las traduce en operaciones individuales de qubits físicos.

Un nuevo salto en computación cuántica

Investigadores de la Universidad de Princeton han ideado un método que altera las propiedades de un único electrón sin estorbar los miles de millones de electrones de su entorno inmediato. La hazaña es esencial para el desarrollo de futuras variedades de superordenadores con capacidades casi ilimitadas de datos. 'Science' ha publicado los resultados.

Jason Petter, profesor asistente de física, ha diseñado un nuevo método de captura de uno o dos electrones en corrales microscópicos creados por la aplicación de tensiones en electrodos minúsculos. El estudio describe cómo estos electrones atrapados forman Qubits, la versión cuántica de la unidad mínima de información informática clásica, conocida como bit. Otros autores del trabajo son Arte Gossard y Hong Lu, de la Universidad de California en Santa Bárbara (Estados Unidos).

Experimentos anteriores habían utilizado una técnica en la que los electrones de una muestra eran expuestos a la radiación de microondas. Sin embargo, debido a que este tipo de exposición afecta a todos los electrones de manera uniforme, la técnica no puede ser usada para manipular los electrones individuales. Asimismo, es una técnica lenta. El método de Petter no sólo consigue el control individual de los electrones, sino que lo hace de forma mucho más rápida, en una mil millonésima de segundo.

Cuando los electrones en el experimento se encuentran en el que Petter llama su 'estado cuántico', éstos tienen un comportamiento 'coherente', siguiendo reglas radicalmente diferentes a las del mundo no cuántico. Científicos como Petter se encuentran trabajando en un campo conocido como control cuántico, en el que se trata de aprender cómo manipular los materiales bajo la influencia de la mecánica cuántica, para poder aprovechar estas propiedades para el desarrollo de tecnologías avanzadas, como la computación cuántica. Los ordenadores cuánticos serán diseñados para aprovechar estas características.

EL FUTURO

FUNDAMENTOS DE LA COMPUTACIÓN CUÁNTICA

Este, definitivamente es uno de los métodos que se deberían desarrollar más (a mi punto de vista), pues son de los que ofrecen una gama de prestaciones enormes; imaginarse que los dispositivos de almacenamiento más avanzados hasta ahora se duplicaran, suena bastante interesante, pues los qubits pueden representar cuatro números a la vez, siendo que la lógica binaria sólo permite un 1 ó un 0 para un solo bit. Esto definitivamente implica una duplicación, por así decirlo de la capacidad de procesamiento no sólo de las memorias o dispositivos de almacenamiento secundario; sino además en todos los demás componentes de un sistema informático como pueden ser: microprocesadores, tarjetas de video, desonido, etc.

Además, lógicamente estos descubrimientos aumentarían notablemente la velocidad de los micros y de todos sus demás componentes.

Bueno, empezaré entonces con la explicación del principio de la computación cuántica. En la computación tradicional, un bit es la mínima unidad de información pero, para representarlo, se utiliza la ausencia o la presencia de miles de millones de electrones en un diminuto transistor de silicio.

La computación cuántica pretende utilizar un principio básico de la mecánica cuántica por el cual todas las partículas subatómicas (protones, neutrones, electrones, etc.) tienen una propiedad asociada llamada spin. El spin se asocia con el movimiento de rotación de la partícula alrededor de un eje. Esta rotación puede ser realizada en un sentido, o el opuesto. Si por ejemplo tomamos como bit al spin de un protón, podemos usar una dirección como 1 y otra como 0. Estos bits, tomados a partir del spin de las partículas han recibido el nombre de qubits.

Sin embargo, en mecánica cuántica el estado de una partícula se determina a través de la asignación de una probabilidad, no podemos hablar de un estado 1 ó 0 claramente determinado. Esta aparente ambigüedad tiene una ventaja que convierte a la computación cuántica en un desarrollo revolucionario: La lógica de un bit es uno u otro , mientras que un qubit (nombre dado al bit cuántico) entraña el concepto ambos a la vez. Si tomamos por ejemplo dos bits, sus estados posibles son cuatro: 00, 01, 10, 11. Son necesario cuatro pares de bits para representar la misma información que un solo par de qubits con comportamiento ambiguo.

Los qubits pueden representar en este caso cuatro números a la vez, cuatro respuestas posibles a la vez. Procesamiento paralelo real, la Meca de la computación. Sus aplicaciones principales entran en el campo de la criptografía y teoría de numero, y en el análisis de gigantescos volúmenes de información.

No todos los problemas pueden ser resueltos por este tipo de lógica. Sin embargo, una computadora cuántica podría resolver los que sí pueden, a una velocidad varias veces superior a la de los microprocesadores conocidos hasta hoy, esta también se considera una tecnología hipotética, pues aún sólo se ha quedado en la investigación sin llegar a desarrollar un sistema completo utilizando esta lógica, pero aún así, si se logra implantar algún día será definitivamente demasiado cara debido a las características necesarias para su buen funcionamiento.

Señalan en la Universidaed de Michigan que se esta a punto de entrar a la nueva era de la computación puesto que se elevará la velocidad en el procesamineto de la información de manera sorprendente ¿cómo, bueno indican que mediante la utilización de Circuitos que combinan la mecánica cuántica con los principios de la computación.

Señalan los investigadores que los nuevos ordenadores realizaran los cálculos más complejos en mucho menor tiempo. En un artículo publicado en Physical Review Letters, se realiza una propuesta de un circuito realizable de forma experimental contemplando de esta manera una forma de implementar una computación cuántica escalable.

Se cree que esta tecnología proporcionará sistemas en los que participarán muchos qubits, lo que hará posible construir un ordenador cuántico. Bajo esta linease ha escrito en la Universidad de Michigan el artículo titulado "Scalable quantum computing with Josephsoncharge qubits". La información se procesará mediante átomos individuales o partículas subatómicas llamadas qubits. Pero la tarea no resulta nada sencilla puesto que para poder utilizar esta tecnología será estrictamente necesario manipular preparar, y medir el frágil estado cuántico de un sistema. Asimismo dentro de las mayores dificultades que se presentan son que es necesario manejar muchos qubits, y controlar la conectividad entre ellos.

La computación cuántica esta basada en las propiedades de la interacción cuántica entre las partículas subatómicas, como la superposición simultanea de dos estados en una solapartícula subatómica. La superposición cuántica, propiedad fundamental de la interacción cuántica, es ampliamente aprovechada para el desarrollo teórico de los algoritmos cuánticos, logrando una capacidad de procesamiento exponencial.

La superposición cuántica permite mantener simultáneamente múltiples estados en un bit cuántico, es decir "0" y "1" a la vez; a diferencia del bit – elemento fundamental en la computación actual – que únicamente es capaz de mantener un estado discreto, alternativo, a la vez, el "0" o "1" lógico. La computación cuántica, aprovecha la superposición cuántica, para lograr el paralelismo cuántico y el paralelismo cuántico masivo.

Cualquier interacción con el mundo subatómico, producirá un cambio en este, es decir, cualquier medición o lectura traerá indefectiblemente un cambio. Este fenómeno cuántico es aprovechado en la tele transportación cuántica para la transmisión de qubits, y asimismo es utilizada como mecanismo de seguridad en la criptografía cuántica.

HISTORIA DE LA COMPUTACION CUANTICA

Cuando teóricos tales como Richard Feynmann, del California Institute of Technology, de Pasadena (California); Paul Benioff, de Argonne National Laboratory, en Illinois; David Deutsch, de la Universidad de Oxford, en Inglaterra, y Charles Bennett, del T.J. Watson Research Center de IBM en Yorktown Heights (Nueva York), propusieron por primera vez el concepto de las computadoras cuánticas en las décadas de 1970 y 1980, 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, lo suficientemente rápido como para birlar la seguridad de muchos criptosistemas de clave pública. El potencial del algoritmo de Shor alentó a muchos científicos a tratar de explotar las capacidades de las computadoras cuánticas. En los últimos años, varios grupos de investigación de todo el mundo han alcanzado progresos significativos en este campo.

Mientras estuvo en IBM, Chuang amplió su reputación como uno de los experimentalistas en computación cuántica 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.

Además de su ambicioso programa experimental, la División de Investigación de IBM Research es conocida también por sus muchas contribuciones teóricas en el emergente campo de la información cuántica. Los científicos de IBM fueron pioneros en criptografía cuántica, en comunicaciones cuánticas (incluso el concepto de teleporte cuántico) y en metodologías eficientes para corregir errores. David DiVincenzo, miembro del cuerpo de investigadores del laboratorio Watson de IBM, ha promulgado los cinco criterios necesarios para construir una computadora cuántica práctica: 1) un sistema físico de escala flexible con qubits bien caracterizados; 2) capacidad de inicializar el estado de un qubit; 3) tiempos de descoherencia más largos que el tiempo de operación de la puerta cuántica; 4) un conjunto universal de puertas cuánticas; y 5) la capacidad de medir qubits específicos.

Un chip óptico permite un nuevo enfoque en computación cuántica

Un grupo de investigación internacional liderado por científicos de la Universidad de Bristol (Reino Unido) ha creado un chip de silicio con circuitos por los que dos fotones realizan un “paseo cuántico”. Este nuevo enfoque en computación cuántica pronto podría utilizarse para realizar cálculos complejos que no pueden hacer los ordenadores actuales.

Los científicos del Centro para la Fotónica Cuántica de la Universidad de Bristol, en Reino Unido, han desarrollado un chip de silicio que podría utilizarse en un futuro próximo para realizar cálculos y simulaciones complejos usando partículas cuánticas, según publican en el último número de la revistaScience.

Los investigadores creen que su dispositivo representa una nueva vía hacia el ordenador cuántico: un tipo de ordenador potente que utiliza bits cuánticos (qubits) en lugar de los convencionales bits que usan los ordenadores de hoy en día.

Al contrario de los bits convencionales y los transistores, que sólo pueden estar en uno de dos estados posibles al mismo tiempo (1 ó 0), un qubit puede encontrarse en varios estados al mismo tiempo y puede, por lo tanto, contener y procesar mucha más información a mayor velocidad.

“Generalmente se piensa que el ordenador cuántico no podrá convertirse en una realidad hasta al menos dentro de otros 25 años" declara el profesor Jeremy O'Brien, director del Centro para la Fotónica Cuántica. “Sin embargo, creemos que, mediante el uso de nuestra nueva técnica, en menos de diez años podríamos tener un ordenador cuántico que realice cálculos que se encuentran fuera de las capacidades de los ordenadores convencionales”.

La técnica desarrollada en Bristol utiliza dos partículas de luz idénticas (fotones) que se mueven a lo largo de una red de circuitos en un chip de silicio para realizar un experimento conocido como paseo cuántico (análogo cuántico de los clásicos ‘paseos aleatorios’, una formalización matemática de la trayectoria que resulta de hacer sucesivos pasos aleatorios).

Los experimentos de esta caminata cuántica utilizando un fotón se han realizado antes e incluso se pueden modelar con exactitud mediante la física ondulatoria clásica. Sin embargo, esta es la primera vez que se ha realizado un paseo cuántico con dos partículas y sus implicaciones tendrán consecuencias importantes.

“Mediante el uso de un sistema de dos fotones, podemos realizar cálculos que son exponencialmente más complejos que antes”, declara el profesor O'Brien. “Esto no es nada más que el comienzo de un nuevo campo en la ciencia de la información cuántica que allanará el camino para conseguir ordenadores cuánticos que nos ayuden a comprender los problemas científicos más complejos".

Simular procesos cuánticos

A corto plazo, el equipo espera aplicar sus nuevos resultados de inmediato para desarrollar nuevas herramientas de simulación en su propio laboratorio. A largo plazo, se podría utilizar un ordenador cuántico basado en un paseo cuántico de múltiples fotones para simular los procesos que están regulados por la mecánica cuántica, como la superconductividad y la fotosíntesis.

“Nuestra técnica podría mejorar nuestro entendimiento de estos procesos tan importantes y ayudar, por ejemplo, en el desarrollo de paneles solares más eficaces” añade el profesor O'Brien. Entre otras aplicaciones posibles se incluyen el desarrollo de motores de búsqueda ultra-rápidos y eficaces, el diseño de materiales de alta tecnología y nuevos fármacos.

El salto de usar un fotón a dos fotones no es algo insignificante ya que las dos partículas han de ser idénticas en todos los sentidos y deben interferir o interactuar entre ellas del modo adecuado. No existe un equivalente exacto de esta interacción fuera de la física cuántica.

“Ahora que podemos comprender y observar de forma directa paseos cuánticos de dos fotones, el avance hacia un dispositivo de tres fotones o múltiples fotones, es relativamente sencillo, pero los resultados serán igual de emocionantes”, afirma O'Brien. “Cada vez que agregamos un fotón, la complejidad del problema que somos capaces de resolver aumenta de forma exponencial, por lo que si un paseo cuántico de un fotón aporta 10 resultados, un sistema de dos fotones puede dar 100 resultados y uno de tres fotones 1.000 soluciones, y así sucesivamente”.

El equipo, que incluye investigadores de la Universidad de Tohoku en Japón, el Instituto Weizmann de Israel y la Universidad de Twente en los Países Bajos, ahora se propone usar el chip para realizar simulaciones de mecánica cuántica. Los investigadores también quieren aumentar la complejidad de su experimento no sólo añadiendo más fotones sino también usando circuitos más grandes.

computación cuántica

¿Entonces el computador cuántico hará mejor las cosas que las computadoras actuales?

No necesariamente. Por ejemplo, las computadoras actuales son muy buenas para multiplicar grandes números; el computador cuántico no lo hará mucho mejor. Sin embargo aquellas operaciones que requieran de operaciones repetitivas, pueden hacer uso del cómputo en paralelo:

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

Construyen computadora cuántica al interior de un diamante

Si bien la ciencia cuántica es experimental y puede resultarnos un tanto abstracta a simple vista, para un grupo de científicos de la Universidad de California que trabaja a diario en esta materia no es así, y es posible que hayan dado el primer gran paso en la construcción de una computadora cuántica al interior de un diamante.

Esto podría considerarse un gran hito en lo que se refiere al estudio de la interferencia que el entorno provoca en las funciones de las computadoras cuánticas, y debido a esta misma razón es que los expertos diseñaron una especie de cubierta de diamante, uno de los materiales más resistentes en la naturaleza.

Dentro del diamante, este computador es capaz de guardar 2 qubits, es decir, un bit en computación cuántica, que puede representar uno y cero al mismo tiempo, además de realizar cálculos a una velocidad inimaginable al poder estar encendido o apagado de manera simultánea.

A pesar de que la comunidad científica se ha tomado este logro con bastante prudencia, ansían continuar avanzando en este complejo campo y como dijo uno de los científicos partícipes del estudio “intentar que una gran cantidad de qubits trabajen juntos sin ser afectados por el calor u otros factores”.

IBM y sus avances en la computación cuántica: a un paso de diseñar prototipos verdaderos

   

El día de hoy, científicos de IBM han anunciado que han descubierto varias cosas nuevas en cuanto a la computación cuántica, un tema complejo en el que hay muchas investigaciones y opiniones encontradas. Aún así, ellos afirman que sus descubrimientos le permitirán a los ingenieros empezar a trabajar en prototipos de computadoras cuánticas en un futuro cercano.

Hasta hace tiempo, en el campo de la computación cuántica se hablaba del «¿Qué pasaría si existiera una computadora cuántica?», con esto, ya estamos pasando al «¿Cómo podemos armar una computadora cuántica?». Quizás en la época de los avances tecnológicos tan vertiginosos, parezca sólo uno más. Pero es algo increíble, créanme que el día que veamos la primer computadora cuántica será algo que podremos contarle a nuestros nietos.

Aún así, según los cálculos de los científicos de IBM, para tener una computadora cuántica de verdad nos faltan unos 10 o 15 años; aún así, a partir de los recientes descubrimientos, podemos decir que se está yendo por el buen camino. Aún así, para saber lo importante -o tan siquiera tener una idea de lo que estamos hablando- hay que entender las bases de la computación cuántica; no se preocupen, trataré de explicarlo a continuación con términos simples y sencillos.

Las computadoras normales -como la que estás usando en este momento- funcionan usando bits, las unidades básicas de información que pueden estar apagados o prendidos, ausencia o presencia de voltaje, unos y ceros. Obviamente, si quieres hacer cosas más complejas necesitas más bits; es por eso que durante mucho tiempo los avances tecnológicos sólo se han tratado de hacer que estos bits trabajen de forma más eficiente: haciéndolos que estén más juntos o que trabajen más rápido. Pero con la computación cuántica cambia todo. Acá tenemos los bits cuánticos, o qubits (QUantum BITS), los cuales pueden tener calores de 0 o 1 o una superposición cuántica de ambos. Con esto, podemos aumentar exponencialmente la capacidad de procesamiento de cualquier sistema.

Para poder ponerlo de una manera sencilla, tomemos lo que dice Mark Ketchen, quien es el coordinador de Física de la información en uno de los centros de investigación de IBM:

Supongamos que tienes dos qubits. Con esto tu puedes estar en 00, 01, 10, y 11 al mismo tiempo. Para 3 qubits puedes estar en 8 estados al mismo tiempo (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110. 111). Por cada qubit que se agregue doblamos el número de estados en los que se puede estar al mismo tiempo. Esto es en parte la razón por la cual una computadora cuántica sería mucho más poderosa.

Resultados en computación cuántica

Varios resultados nos acercan un poco más hacia la computación cuántica.
La realización física de la computación cuántica es muy difícil. Los dispositivos con los que ahora contamos son muy complicados, caros de mantener y manejan muy pocos qubits. Son, en realidad, curiosidades de laboratorio. Pero constituyen la avanzadilla de lo que tal vez llegue en un futuro.
Ya se han alcanzado pequeños logros en este campo. Uno reciente ha sido conseguido por Gina Passante, de University of Waterloo, y sus colaboradores. Han demostrado experimentalmente que es posible encontrar las soluciones al polinomio de Jones, que es un problema que aparece en teoría de nudos, usando un ordenador cuántico sencillo. El polinomio de Jones tiene importancia no solamente en teoría de nudos, sino que también la tiene en Mecánica Estadística y Teoría Cuántica de Campos.
Aunque la aproximación al polinomio de Jones es un problema clásico, es muy difícil de resolver por métodos convencionales, pero puede resolverse fácilmente con un modelo cuántico sencillo. En este caso han usado un sistema de 4 qubits realizado gracias a un proceso de resonancia magnética nuclear. Es el primer caso de implementación de un problema resuelto por computación cuántica determinista con un modelo de un bit. El algoritmo utilizado ha sido el DGC1 (o deterministic quantum computation with one quantum bit, en inglés). Lo de 1 bit se refiere a que sólo se tiene control para preparar un bit en el estado inicial del sistema. Los estados de 4 qubits y 3 qubits están preparados inicialmente en un estado al azar.
Para almacenar estos qubits los investigadores usaron los núcleos de los cuatro átomos de carbono presentes en moléculas de ácido transcrotónico y aplicaron pulsos de radiofrecuencia para sacar ventaja del efecto de resonancia magnética nuclear.
El algoritmo pudo identificar los distintos nudos en un 91% de las veces. Esperan que en un futuro puedan usar esta implementación para nudos más grandes y poder determinar el tamaño de los mismos antes de que los errores del ruido cuántico lo impidan.


Pero este tipo de computación cuántica que usa iones o moléculas individuales es muy farragosa. Lo ideal sería contar con dispositivos de estado sólido similares a los actuales chips y hechos de silicio o semiconductores tradicionales, sistemas sobre los que hay una extensa tradición tecnológica.
Recientemente se ha conseguido demostrar experimentalmente por primera vez dos métodos para colocar deliberadamente un electrón en dispositivos de este tipo. Esto constituye un paso más en la consecución de la meta de construir un computador cuántico basado en el control del spin de electrones en dispositivos de estado sólido y usar éstos a modo de qubits. Los responsables son Andrew Dzurak y Andrea Morello, ambos de instituciones de investigación australianas.
En un caso se trataba de localizar electrones solitarios en puntos cuánticos realizados en silicio. Los puntos cuánticos son como átomos artificiales para los electrones confinados en ellos.
En el otro resultado se consiguió localizar electrones que estaban unidos a átomos normales.
El estado cuántico de un electrón viene dado por su spin y se puede utilizar éste como estado para construir qubits, pero es necesario un control exquisito de los electrones implicados. La idea es utilizar varios de estos electrones y superponer sus estados de tal modo que se puedan realizar varias operaciones cuánticas sobre esa superposición. Esto daría lugar a un procesamiento “en paralelo” sin precedentes.

Más avances en computación cuántica

Investigadores del Instituto Tecnológico de Georgia transfirieron información almacenada en las propiedades de una nube de átomos de rubidio a las propiedades de un único fotón.

(MIT Technology Review) La capacidad de transferir información desde átomos a fotones es necesaria para la construcción de computadoras cuánticas, que usan las propiedades de partículas como las citadas para procesar información. Estas computadoras generalmente usan átomos como memorias que pueden almacenar información durante un tiempo lo suficientemente largo como para realizar operaciones computacionales en ellos, y usan fotones para transferir la información.

La computadoras cuánticas tienen el potencial de ser varios órdenes de magnitud más rápidas que las clásicas, sobre todo en lo que refiere a la resolución de ciertos problemas de gran envergadura, incluyendo aquéllos necesarios para romper los códigos de seguridad actuales. El método de los investigadores está basado en una propuesta de 2001 relaizada por investigadores de la Universidad de Innsbruck, en Austria, y la Universidad de Harvard, que permitiría eventualmente redes cuánticas de larga distancia.

Los investigadores de Georgia dispararon un láser a través de un par d enubes de átomos de rubidio, causando que las nubes emitan un fotón que estaba apareado (ligado a nivel cuántico) con la nube atómica. Los cambios de las propiedades de una partícula apareada instantáneamente afectan a las partículas apareadas con ésta.

Los investigadores almacenaron un bir de información en los átomos al medir su polarización del fotón emitido, el cual puso a las nubes atómicas en un estado cuántico particular. Los investigadores dispararon un segunco láser a través de las nubes de átomos para hacer que emitiese un segundo fotón único cuyo estado reflejara el de las nubes de átomos. Los próximos pasos son desarrollar un nodo cuántico que trabaje con las longitudes de ondas usadas hoy en las redes de telecomunicaciones d ehot en día, d eforma que los fotones puedan viajar grande sdistancias sobre líneas de fibra óptica y hacer así el métido más eficiente.

El ordenador cuántico funcionaría apagado

La mecánica cuántica nos puede decir que la probabilidad de que nosotros, de cuerpo entero, tenemos una probabilidad no nula de atravesar una pared con éxito (aunque quizás tardaríamos millones de años en conseguir ese éxito, y no tendría mucha importancia, realmente). Con las reglas de esta mecánica, hay sistemas que pueden estar en un estado de superposición, es decir, existir en dos estados a la vez.

El ordenador cuántico podría “forzarse” a un estado de superposición (entre encendido y apagado) para mejorar su rendimiento. Un equipo de la Universidad de Illinois ha desarrollado un ordenador cuántico que no funciona, pero que da resultados…


La idea parte en 1998, y consiste en forzar el estado superpuesto en la máquina de forma que sea capaz de entregar resultados aún estando “apagado”. La máquina real es un sistema óptico compuesto por dispositivos y espejos, y una pequeña base de datos que realiza búsquedas dependiendo del estado de un fotón. Este fotón se introduce en el sistema, y se va cambiando su estado de forma que no sea capaz de interactuar con los diferentes elementos del mismo. De esta manera, el ordenador no funciona desde un punto de vista clásico, pero su naturaleza cuántica permite la interacción con los diferentes componentes del “programa”, con lo cual éste va siendo paulatinamente alterado y, finalmente, se obtiene una respuesta.

Introducción a la Computación Cuántica

Una computadora cuántica es un dispositivo informático que hace uso de la mecánica cuántica, como superposición y entrelazamiento cuántico, para llevar a cabo operaciones sobre datos.
Las computadoras cuánticas son diferentes de las computadoras comunes que se basan en transistores.
El principio básico detrás de la computación cuántica es que las propiedades cuánticas se pueden usar para representar datos y realizar operaciones sobre los mismos.

La computación cuántica se basa en la utilización de qubits en vez de bits, y da lugar a nuevas lógicas que posibilitan nuevos algoritmos.
Una tarea puede tener diferente complejidad en computación clásica y computación cuántica, lo que da lugar a una gran expectación, ya que problemas intratables pasan a ser tratables.
Un modelo teórico es la máquina cuántica de Turing, más conocida como computadora cuántica universal.

Si se pudieran realizar computadoras cuánticas a gran escala, estas podrán ser capaces de resolver problemas muchísimo más rápido que las actuales.

La computación cuántica está todavía en proceso, habiendo más teorías que prácticas por el momento.
De todas maneras los gobiernos de todo el mundo apoyan la investigación de la computación cuántica que, probablemente, será el futuro de la informática.

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Bienvenidos a Q1tech, desde ahora en adelante nos encargaremos de informarles sobre los últimos adelantos de la computación cuántica.