Computación cuántica

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La computación cuántica es un paradigma de computación distinto al de la computación clásica. Se basa en el uso de qubits en lugar de bits, y da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos. Una misma tarea puede tener diferente complejidad en computación clásica y en computación cuántica, lo que ha dado lugar a una gran expectación, ya que algunos problemas intratables pasan a ser tratables.

[editar] Problemas de la computación cuántica

Uno de los obstáculos principales para la computación cuántica es el problema de la decoherencia, que causa la pérdida del caracter unitario (y, más específicamente, la reversibilidad) de los pasos del algoritmo cuántico. Los tiempos de decoherencia para los sistemas candidatos, en particular el tiempo de relajación transversal (en la terminología usada en la tecnología de resonancia magnética nuclear e imaginería por resonancia magnética) está típicamente entre nanosegundos y segundos, a temperaturas bajas. Las tasas de error son típicamente proporcionales a la razón entre tiempo de operación frente a tiempo de decoherencia, de forma que cualquier operación debe ser completada en un tiempo mucho más corto que el tiempo de decoherencia. Si la tasa de error es lo bastante baja, es posible usar eficazmente la corrección de errores cuánticos, con lo cual sí sería posible tiempos de cálculo más largos que el tiempo de decoherencia y, en principio, arbitrariamente largos. Se cita con frecuencia una tasa de error límite de 10^-4, por debajo de la cual se supone que sería posible la aplicación eficaz de la corrección de errores cuánticos.

Otro de los problemas principales es la escalabilidad, especialmente teniendo en cuenta el considerable incremento en qubits necesarios para cualquier cálculo que implica la corrección de errores. Para ninguno de los sistemas actualmente propuestos es trivial un diseño capaz de manejar un número lo bastante alto de qubits para resolver problemas computacionalmente interesantes hoy en día.

[editar] Hardware para computación cuántica

Aún no se ha resuelto el problema de qué hardware sería el ideal para la computación cuántica. Se ha definido una serie de condiciones que debe cumplir, conocida como la lista de Di Vinzenzo, y hay varios candidatos actualmente.

[editar] Condiciones a cumplir

• El sistema ha de poder inicializarse, esto es, llevarse a un estado de partida conocido y controlado.
• Ha de ser posible hacer manipulaciones a los qubits de forma controlada, con un conjunto de operaciones que forme un conjunto universal de puertas lógicas (para poder reproducir a cualquier otra puerta lógica posible).
• El sistema ha de mantener su coherencia cuántica a lo largo del experimento.
• Ha de poder leerse el estado final del sistema, tras el cálculo.
• El sistema ha de ser escalable: tiene que haber una forma definida de aumentar el número de qubits, para tratar con problemas de mayor coste computacional.

[editar] Candidatos

• Espines nucleares de moléculas en disolución, en un aparato de RMN
• Flujo eléctrico en SQUIDs
• Iones suspendidos en vacío
• Puntos cuánticos en superficies sólidas
• Imanes moleculares en micro-SQUIDs
• Ordenador cuántico de Kane

[editar] Procesadores

En 2004, científicos del Instituto de Física aplicada de la Universidad de Bonn publicaron resultados sobre un registro cuántico experimental. Para ello utilizaron átomos neutros que almacenan información cuántica, por lo que son llamados qubits por analogía con los bits. Su objetivo actual es construir una puerta cuántica, con lo cual se tendrían los elementos básicos que constituyen los procesadores, que son el corazón de los computadores actuales. Cabe destacar que un chip de tecnología VLSI contiene actualmente más de 100.000 puertas, de manera que su uso práctico todavía se presenta en un horizonte lejano.

[editar] Transmisión de datos

Científicos de los laboratorios Max Planck y Niels Bohr publicaron, en noviembre de 2004, en la revista Nature, resultados sobre la transmisión de información cuántica, usando la luz como vehículo, a distancias de 100 km. Los resultados dan niveles de éxito en las transmisiones de 70%, lo que representa un nivel de calidad que permite utilizar protocolos de transmisión con autocorrección.

Actualmente se trabaja en el diseño de repetidores, que permitirían transmitir información a distancias mayores a las ya alcanzadas.

[editar] Software para computación

[editar] Algoritmos cuánticos

Los algoritmos cuánticos se basan en un margen de error conocido en las operaciones de base y trabajan reduciendo el margen de error a niveles exponencialmente pequeños, comparables al nivel de error de las máquinas actuales.

• Algoritmo de Shor
• Algoritmo de Grover
• Algoritmo de Deutsch-Jozsa

[editar] Complejidad

La clase de complejidad BQP estudia el costo de los algoritmos cuánticos con bajo margen de error.

[editar] Problemas propuestos

Se ha sugerido el uso de la computación cuántica como alternativa superior a la computación clásica para varios problemas, entre ellos:

• Factorización de números enteros
• Logaritmo discreto
• Simulación de sistemas cuánticos

[editar] Temas relacionados

• Criptografía cuántica
• Teleportación cuántica
• Computación con ADN
• Electrónica molecular
• Fotónica

[editar] Enlaces externos

• Buenas referencias generales
  • Qubit.org (Centre for Quantum Computation) (en inglés)
  • Institute for Quantum Computing (en inglés)
  • QubitNews (en inglés)
  • Qwiki (Wiki sobre Computación Cuántica) (en inglés)
  • Artículos sobre física cuántica (libre acceso) (en inglés)
  • Blog sobre computación cuántica (en inglés)
  • Blog sobre computación cuántica
  • Algunos tutoriales

• Compañías que desarrollan ordenadores cuánticos
  • D-Wave Systems, Vancouver, BC, Canada
  • IBM

• Patentes relacionadas con la computación cuántica
  • Algunas patentes concedidas relacionadas con la computación cuántica
  • Algunas patentes publicadas relacionadas con la computación cuántica

[editar] Bibliografía

• Ordenador cuántico universal y la tesis de Church-Turing
  • Deutsch, D. "Quantum Theory, the Church-Turing Principle, and the Universal Quantum Computer" Proc. Roy. Soc. Lond. A400 (1985) pp. 97–117.

• Uso de ordenadores cuánticos para simular sistemas cuánticos
  • Feynman, R. P. "Simulating Physics with Computers" International Journal of Theoretical Physics, Vol. 21 (1982) pp. 467–488.

• Computación Cuántica e Información Cuántica
  • Nielsen, M. y Chuang, I. "Quantum Computation and Quantum Information" Cambridge University Press (September, 2000), ISBN 0521635039.