{"id":5608,"date":"2022-03-21T00:10:00","date_gmt":"2022-03-21T03:10:00","guid":{"rendered":"https:\/\/saeeg.org\/?p=5608"},"modified":"2022-03-20T18:51:12","modified_gmt":"2022-03-20T21:51:12","slug":"computacion-cuantica-y-ordenadores-cuanticos","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/saeeg.org\/index.php\/2022\/03\/21\/computacion-cuantica-y-ordenadores-cuanticos\/","title":{"rendered":"COMPUTACI\u00d3N CU\u00c1NTICA Y ORDENADORES CU\u00c1NTICOS"},"content":{"rendered":"\n

Giancarlo Elia Valori*<\/em><\/strong><\/span><\/p>\n\n\n\n

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Imagen de Gerd Altmann<\/a> en Pixabay<\/a> 
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\u00bfQu\u00e9 es la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica? \u00bfPor qu\u00e9 necesitamos la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica? De acuerdo con la ley de Moore (\u201cLa complejidad de un microcircuito, medida por ejemplo por el n\u00famero de transistores por chip, se duplica cada 18 meses y, por lo tanto, se cuadruplica cada 3 a\u00f1os\u201d), la densidad de transistores por unidad de \u00e1rea en un chip de computaci\u00f3n se duplica cada a\u00f1o y medio, lo que plantea dos problemas principales para las computadoras tradicionales. En primer lugar, en cuanto a la computaci\u00f3n, los transistores de alta densidad se enfrentar\u00e1n al problema del consumo de energ\u00eda y los efectos t\u00e9rmicos. En segundo lugar, la reducci\u00f3n de tama\u00f1o provocar\u00e1 el fracaso de la teor\u00eda cl\u00e1sica de los transistores y su rendimiento se desviar\u00e1 del dise\u00f1o original.<\/p>\n

Ambos problemas limitar\u00e1n la mayor contracci\u00f3n de los transistores, poniendo as\u00ed fin a la ley de Moore. Sin embargo, aunque la computadora tradicional se desarrolla hasta el final de la ley de Moore, todav\u00eda es incapaz de hacer frente a muchos problemas que deben resolverse. Digamos que calculamos la energ\u00eda de estado fundamental de N sistemas acoplados de dos niveles, ya que el n\u00famero de inc\u00f3gnitas ser\u00e1 proporcional a 2^N. El tiempo de simulaci\u00f3n actual requerido para la supercomputadora de IBM es de 2,5 d\u00edas para un c\u00e1lculo espec\u00edfico en la computadora cu\u00e1ntica de 53 qubits de Google, que tarda unos 200 segundos. Qubit es la contracci\u00f3n del bit cu\u00e1ntico, el t\u00e9rmino acu\u00f1ado por Benjamin Schumacher para denotar el bit cu\u00e1ntico, es decir, la unidad b\u00e1sica de la informaci\u00f3n cu\u00e1ntica.<\/p>\n

A medida que el n\u00famero de qubits contin\u00faa aumentando, las computadoras convencionales pronto alcanzar\u00e1n un cuello de botella. Sin embargo, casi todos los c\u00e1lculos convencionales que involucran mec\u00e1nica cu\u00e1ntica enfrentan los mismos problemas. Por lo tanto, muchos investigadores comenzaron a pensar en c\u00f3mo usar las propiedades cu\u00e1nticas como recursos computacionales ya en 1970, que luego fue resumido por Richard Feynman en 1982.<\/p>\n

Por lo tanto, \u00bfqu\u00e9 ventajas tienen los qubits sobre la computaci\u00f3n tradicional? Lo m\u00e1s sorprendente no es otro que las propiedades de la superposici\u00f3n cu\u00e1ntica y el entrelazamiento cu\u00e1ntico. La superposici\u00f3n cu\u00e1ntica es un estado no cl\u00e1sico que contrasta con la intuici\u00f3n emp\u00edrica y la met\u00e1fora es el Gato de Schr\u00f6dinger que est\u00e1 vivo y muerto.<\/p>\n

El estado de superposici\u00f3n, sin embargo, es un estado real para qubits en escalas microsc\u00f3picas o mesosc\u00f3picas (escalas espaciales, puntos de vista y similares que son intermedios entre escalas macrosc\u00f3picas y microsc\u00f3picas). Los qubits se pueden encontrar en la superposici\u00f3n de dos estados cu\u00e1nticos caracter\u00edsticos, y este estado de superposici\u00f3n es un estado no cl\u00e1sico en el que el ser y el no ser coexisten en el mundo cu\u00e1ntico. En este estado, el qubit no es ni 0 ni 1, pero no est\u00e1 en un estado en el que ambos lados (0 y 1) sean inciertos, sino con la misma probabilidad, como una moneda antes de que aterrice en la palma de la mano.<\/p>\n

Mientras que en la naturaleza visible es posible observar un fen\u00f3meno sin influir perceptiblemente en \u00e9l solo mediante la observaci\u00f3n (es decir, solo mirando dicho fen\u00f3meno), en la f\u00edsica at\u00f3mica y la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica, una perturbaci\u00f3n finita y hasta cierto punto invisible est\u00e1 conectada a cada observaci\u00f3n. El principio de incertidumbre es el reconocimiento del azar absoluto y la arbitrariedad en los fen\u00f3menos naturales. Por otro lado, como quedar\u00e1 claro m\u00e1s adelante, la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica no predice un resultado \u00fanico y bien definido para la observaci\u00f3n o para cualquier observador.<\/p>\n

El hecho de que los qubits puedan experimentar una evoluci\u00f3n cu\u00e1ntica en un conjunto de estados de superposici\u00f3n, que no es ni 0 ni 1, implica un paralelismo cu\u00e1ntico en el c\u00e1lculo relevante. La evoluci\u00f3n de cada qubit, sin embargo, no es suficiente para construir todas las evoluciones posibles de un sistema multi-qubit. Por lo tanto, tambi\u00e9n debemos interactuar con diferentes qubits para que puedan entrelazarse con el fin de construir un algoritmo satisfactorio para tal c\u00e1lculo. Esta superposici\u00f3n especial se llama precisamente estado cu\u00e1ntico entrelazado.<\/p>\n

Tomemos dos qubits como ejemplo, que es un estado entrelazado t\u00edpico. Entre ellos, el estado que representa el primer qubit est\u00e1 conectado al estado del segundo qubit. Las dos conexiones est\u00e1n en superposici\u00f3n cu\u00e1ntica y, por lo tanto, no podemos hablar del estado en el que se encuentran los dos qubits en ese momento, por lo que hablamos de entrelazamiento.<\/p>\n

Existe una visi\u00f3n m\u00e1s pr\u00e1ctica del entrelazamiento en la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica, es decir, los estados entrelazados generalmente surgen del control de un qubit (qubit de control) sobre otro (qubit objetivo). La relaci\u00f3n entre el qubit de control y el qubit objetivo es similar a la mencionada Cat de Schr\u00f6dinger. Seg\u00fan este punto de vista, si la parte controladora est\u00e1 en un estado de superposici\u00f3n, la parte controlada estar\u00e1 en una superposici\u00f3n de diferentes situaciones controladas.<\/p>\n

Este proceso de entrelazamiento es un elemento importante en la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica. Podemos decir que la superposici\u00f3n y el entrelazamiento tejen sin\u00e9rgicamente la variada evoluci\u00f3n paralela de la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica. Cada medici\u00f3n solo puede calcular uno de los estados posibles, y el estado de superposici\u00f3n ya no existe despu\u00e9s de la primera medici\u00f3n. Por eso, con el fin de obtener la informaci\u00f3n estad\u00edstica que necesitamos en el estado de superposici\u00f3n, tenemos que calcular y medir los resultados nuevamente.<\/p>\n

Por lo tanto, en muchos algoritmos cu\u00e1nticos (como el algoritmo de Shor para factorizaci\u00f3n [que resuelve el problema de la descomposici\u00f3n factorial de n\u00fameros enteros en n\u00fameros primos] y la simulaci\u00f3n cu\u00e1ntica digital), necesitamos usar algunos mecanismos de interferencia despu\u00e9s del c\u00e1lculo, de modo que la informaci\u00f3n de esa fase que contiene la respuesta en el estado de superposici\u00f3n se convierta en conservaci\u00f3n (con la idea impl\u00edcita de evitar un derrame o p\u00e9rdida final) debido a la interferencia constructiva (es decir,  inmediatamente despu\u00e9s de la variaci\u00f3n de otros datos producidos), mientras que otros datos se eliminan por interferencia destructiva. De esta manera, la respuesta se puede obtener con menos mediciones. La mayor\u00eda de los algoritmos cu\u00e1nticos dependen en gran medida del fen\u00f3meno de fluctuaci\u00f3n e interferencia, por lo tanto, la fase relativa es muy importante para la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica, que se llama coherencia cu\u00e1ntica. En el dise\u00f1o de hardware de las computadoras cu\u00e1nticas, muchas consideraciones est\u00e1n relacionadas con c\u00f3mo proteger el estado cu\u00e1ntico para prolongar la coherencia de por vida.<\/p>\n

Las computadoras cu\u00e1nticas tienen una variedad de implementaciones de hardware, pero las consideraciones de dise\u00f1o son similares. Hay tres consideraciones comunes: operatividad de qubits, mensurabilidad y protecci\u00f3n de estados cu\u00e1nticos. En respuesta a estas consideraciones, se ha desarrollado un sistema de electrodin\u00e1mica cu\u00e1ntica de cavidad (cQED). Un sistema cu\u00e1ntico superconductor puede tomarse como ejemplo para introducir la implementaci\u00f3n de computadoras cu\u00e1nticas. La diferencia de frecuencia entre la cavidad resonante y el qubit significa que el acoplamiento entre la cavidad resonante y el qubit tiende no a intercambiar cuantos de energ\u00eda, sino solo a generar entrelazamiento, lo que significa que la frecuencia de la cavidad resonante cambiar\u00e1 con el estado del qubit. Por lo tanto, el estado del qubit se puede deducir midiendo la penetraci\u00f3n de microondas o el espectro de reflexi\u00f3n cerca de la frecuencia resonante con la l\u00ednea de lectura de bits.<\/p>\n

La vida \u00fatil coherente de los qubits est\u00e1 influenciada por dos factores, uno intr\u00ednseco y otro extr\u00ednseco. La influencia extr\u00ednseca proviene principalmente del acoplamiento entre el qubit y el circuito de lectura de estado cu\u00e1ntico. La presencia de un mecanismo de protecci\u00f3n similar a un filtro en la cavidad de microondas entre el bit y la l\u00ednea de lectura puede proporcionar un mecanismo de protecci\u00f3n similar a un qubit porque la cavidad y el qubit tienen una diferencia de frecuencia de aproximadamente 718 MHz. La influencia intr\u00ednseca proviene principalmente de la p\u00e9rdida del qubit en s\u00ed y la sensibilidad de su frecuencia a varios tipos de ruido, que generalmente pueden ser suprimidos por materiales mejorados.<\/p>\n

La computaci\u00f3n cu\u00e1ntica tiene una amplia gama de aplicaciones, actualmente involucradas en los campos del descifrado y la criptograf\u00eda, la qu\u00edmica cu\u00e1ntica, la f\u00edsica cu\u00e1ntica, los problemas de optimizaci\u00f3n y la inteligencia artificial. Esto cubre casi todos los aspectos de la sociedad humana y tendr\u00e1 un impacto significativo en la vida humana despu\u00e9s de la pr\u00e1ctica. Sin embargo, las mejores computadoras cu\u00e1nticas a\u00fan no son capaces de expresar las ventajas de la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica. Aunque el n\u00famero de qubits en una computadora cu\u00e1ntica ha superado los 50, la profundidad del circuito requerida para ejecutar el algoritmo est\u00e1 lejos de ser suficiente. La raz\u00f3n principal es que la tasa de error de qubits en el proceso de c\u00e1lculo sigue siendo muy alta, a pesar de que podemos usar la correcci\u00f3n cu\u00e1ntica de qubits y la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica tolerante a fallas. En el caso de la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica, la precisi\u00f3n que mejora gradualmente los datos aumentar\u00e1 en gran medida la dificultad de producir el hardware y la complejidad del algoritmo. En la actualidad, la implementaci\u00f3n de algunos algoritmos bien conocidos solo ha alcanzado el nivel de demostraci\u00f3n conceptual, que es suficiente para demostrar la viabilidad de la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica, pero la aplicaci\u00f3n pr\u00e1ctica a\u00fan tiene un largo camino por recorrer.<\/p>\n

Pero debemos seguir siendo optimistas porque, aunque la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica general todav\u00eda necesita ser mejorada por el hardware de la computadora cu\u00e1ntica, todav\u00eda podemos encontrar nuevos algoritmos y aplicaciones. Adem\u00e1s, el desarrollo de hardware tambi\u00e9n puede hacer grandes avances, al igual que el desarrollo de las computadoras tradicionales en el principio. En l\u00ednea con este objetivo, muchas industrias tecnol\u00f3gicas existentes podr\u00edan actualizarse en un futuro pr\u00f3ximo. La investigaci\u00f3n se est\u00e1 ejecutando r\u00e1pidamente gracias tambi\u00e9n a una importante inversi\u00f3n p\u00fablica y privada, y las primeras aplicaciones comerciales se ver\u00e1n a corto plazo.<\/p>\n

Teniendo en cuenta las cuestiones de defensa e inteligencia, muchos gobiernos est\u00e1n financiando la investigaci\u00f3n en esta \u00e1rea. La Rep\u00fablica Popular China y los Estados Unidos de Am\u00e9rica han puesto en marcha planes plurianuales por valor de miles de millones de yuanes y d\u00f3lares. La Uni\u00f3n Europea tambi\u00e9n ha establecido el Programa Quantum Flagship para una inversi\u00f3n de mil millones de euros.<\/p>\n

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* <\/sup><\/em><\/strong>Copresidente del Consejo Asesor Honoris Causa. El Profesor Giancarlo Elia Valori es un eminente economista y empresario italiano. Posee prestigiosas distinciones acad\u00e9micas y \u00f3rdenes nacionales. Ha dado conferencias sobre asuntos internacionales y econom\u00eda en las principales universidades del mundo, como la Universidad de Pek\u00edn, la Universidad Hebrea de Jerusal\u00e9n y la Universidad Yeshiva de Nueva York. Actualmente preside el \u00abInternational World Group\u00bb, es tambi\u00e9n presidente honorario de Huawei Italia, asesor econ\u00f3mico del gigante chino HNA Group y miembro de la Junta de Ayan-Holding. En 1992 fue nombrado Oficial de la Legi\u00f3n de Honor de la Rep\u00fablica Francesa, con esta motivaci\u00f3n: \u201cUn hombre que puede ver a trav\u00e9s de las fronteras para entender el mundo\u201d y en 2002 recibi\u00f3 el t\u00edtulo de \u201cHonorable\u201d de la Academia de Ciencias del Instituto de Francia.<\/em><\/strong><\/p>\n

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Traducido al espa\u00f1ol por el Equipo de la SAEEG con expresa autorizaci\u00f3n del autor. Prohibida su reproducci\u00f3n.<\/em><\/strong><\/p>\n

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