COMPUTACION CUANTICA

Guillermo Choque Aspiazu
gchoque@sistemasintegrales.edu.bo

En términos estadísticos, la velocidad y la capacidad de almacenamiento de las computadoras se han venido duplicando aproximadamente cada dos años, esto, acompañado de una miniaturización del componente fundamental del hardware: el transistor. Actualmente es posible fabricar chips o circuitos integrados de computadora, de un cuarto de micrón, donde un micrón es la millonésima parte de un metro, conteniendo cerca de 200 millones de transistores.

La computación cuántica hace referencia inicialmente, a los fenómenos que tendrá que enfrentar la tecnología de las computadoras cuando el tamaño de sus componentes, es decir de transistores, circuitos integrados y otros, rebase un límite inferior determinado, frontera para la cual las leyes de la física son fundamentalmente diferentes a las que se aplican en el mundo macroscópico. Al continuar la tendencia en la reducción del tamaño de los componentes, se tendrá que enfrentar muy probablemente a las leyes cuánticas, cuando el tamaño de éstos alcance niveles atómicos. En este nivel, el transistor quizás pase a ser una pieza de museo y sea sustituido por una molécula.

A principios del siglo XX, con el avance en el conocimiento de los mecanismos internos del átomo; físicos de la talla de Niels Bohr, Max Planck, Werner Heisenberg, etc. llegaron a la conclusión de que la física newtoniana o la mecánica clásica, no podía aplicarse al mundo subatómico, en el cual las leyes del movimiento responden a principios diferentes que en ocasiones contradicen el sentido común del ser humano. Esto condujo a establecer los cimientos de una nueva rama de la física, la denominada mecánica cuántica.

Para establecer inicialmente las diferencias perceptibles entre ambas mecánicas, se considera que la mecánica newtoniana es capaz de establecer con una gran precisión, la velocidad y la posición de objetos de mayor tamaño que el átomo; en este sentido se puede establecer con objetividad la trayectoria que sigue por ejemplo la luna o el sol, y ésta determinación es independiente del método de estudio empleado; es decir, cualquier observación que se realiza no influye de manera significativa en las conclusiones que se obtienen sobre el movimiento estudiado. Sin embargo, cuando se trata de observar y estudiar objetos del tamaño del átomo o menores, la mecánica cuántica sostiene que es imposible hacer observaciones objetivas, en el sentido de que no se perturbe de manera significativa el objeto de estudio.

La computación cuántica descansa en la física cuántica sacando partido de algunas propiedades físicas de los átomos o de los núcleos que permiten trabajar conjuntamente con bits cuánticos, tanto en el procesador como en la memoria de la computadora. Interactuando unos con otros, encontrándose aislados de un ambiente externo, los bits cuánticos pueden ejecutar cálculos exponenciales de manera mucho más rápida que las computadoras convencionales.

El año 1982 aparecieron las primeras ideas de lo que se conoce como computación cuántica, cuando Richard Feynman observó que ciertos efectos de la mecánica cuántica, no pueden ser simulados por una computadora digital, e insinuó que la computación en general puede ser eficientemente mejorada aprovechando los efectos de la mecánica cuántica. En el año 1985 David Deutsch describió un modelo de una computadora cuántica, de alguna manera similar a lo que en 1936 fue propuesto como modelo de la máquina de Turing, que sirvió como preámbulo de las computadoras contemporáneas.

En la computación cuántica la unidad fundamental de almacenamiento es el denominado bit cuántico o qubit, donde cada qubit puede tener múltiples estados simultáneamente en un instante determinado, reduciendo así el tiempo de ejecución de algunos algoritmos de miles de años a segundos. De este modo la computación cuántica está basada en las interacciones con el mundo atómico, y tiene elementos como el bit cuántico, las compuertas cuánticas, los estados confusos, la teleportación cuántica, el paralelismo cuántico, y la criptografía cuántica.

En la computación tradicional, un bit es la mínima unidad de información. 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, como los protones, neutrones y electrones, 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 se toma como bit al spin de un protón, se puede utilizar una dirección como 1 y otra como 0. Estos bits, tomados a partir del spin de las partículas son los que reciben 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 es posible hablar de un estado 0 ó 1 claramente determinado. Esta es la ventaja que tiene la computación cuántica respecto a la clásica: La lógica de un bit es 0 ó 1, mientras que un qubit involucra el concepto de ambos a la vez. Si se toma por ejemplo dos bits, sus estados posibles son cuatro: 00, 01, 10, 11. Son necesarios cuatro pares de bits para representar la misma información que representa 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, lo cual es sinónimo de procesamiento paralelo real.

La computación cuántica es un área multidisciplinaria con influencias que van desde la arquitectura de computadoras hasta la física fundamental, pasando por las comunicaciones, la criptografía, las matemáticas, la microelectrónica y la nanotecnología por citar algunas, y tiene básicamente efectos en la tecnología de las computadoras. En términos de hardware, a medida que la información pase a ser representada por unas cuantas partículas subatómicas, los dispositivos deberán tener la capacidad de reconocer los fenómenos cuánticos. En relación con los algoritmos, la computación cuántica abre posibilidades antes no imaginadas, disminuciones exponenciales en el tiempo de procesamiento y realización de operaciones en paralelo sin necesidad de agregar procesadores a la máquina.

Las aplicaciones recientes de la computación cuántica son: (1) Encriptación: si bien la computadora cuántica haría obsoletos los mecanismos actuales, también proporciona una solución que podría ser prácticamente imposible de ser violada por los hackers mas hábiles. (2) Teleportación: se refiere a comunicar el estado físico de un objeto a otro objeto ubicado en otra parte. (3) 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 una computadora cuántica lo haría en aproximadamente 20 minutos. (3) Búsqueda en bases de datos: se realizan actualmente al azar y para localizar un dato en especial se requiere en promedio de N/2 intentos, donde N es el número total de datos. Una computadora cuántica 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 intentarlo 500 mil veces, mientras que una computadora cuántica lo haría sólo mil veces.

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