¿Qué son las computadoras cuánticas y cómo se «cuántican»?

Se están generando enormes olas de interés por el desarrollo de poderosas computadoras cuánticas por parte de un grupo selecto de las empresas líderes en el mundo. Tanto es así que una computadora cuántica (muy hermosa) llegó recientemente a él. portada de la revista tiempo. Aquí está nuestro experto Chris Lester Explora la historia de este fascinante campo y pregunta: ¿Qué hace que las computadoras cuánticas sean «cuánticas»?

Era cuántica… y las computadoras

Es difícil precisar el punto de partida exacto de la era cuántica, pero es justo decir que muchos de los fundamentos teóricos de la mecánica cuántica se esbozaron por primera vez a principios de la década de 1920.^y un siglo. En la primera década de ese siglo, Max Planck y Albert Einstein descubrieron que podían explicar con mayor precisión los fenómenos físicos relacionados con la luz y la materia (la radiación del cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico) al suponer que la luz se «define» en paquetes discretos de energía. .

Los desarrollos posteriores de muchos otros mostraron el sorprendente resultado de que la luz y la materia física pueden exhibir propiedades tanto de partículas como de ondas. La dualidad onda-partícula ha llevado al descubrimiento de muchos efectos inesperados, incluido el «tunel cuántico», donde (por ejemplo) un electrón puede saltar al otro lado de una barrera que, según las teorías precuánticas, la partícula realmente no salta. tener suficiente energía para vencer. En lugar de tener un interés puramente académico o intelectual, la tunelización cuántica ha encontrado una aplicación real en la ciencia. diodos de túnel – Un tipo de dispositivo semiconductor que presenta una resistencia diferencial negativa.

20^y El siglo también vio el amanecer de la era de las computadoras digitales, desde los primeros sistemas que fueron Llena habitaciones enteras A los teléfonos inteligentes de hoy, llevados en los bolsillos de miles de millones de personas. Este rápido desarrollo fue impulsado por tendencia conocida La capacidad de colocar más transistores de tamaños más pequeños en un solo chip. Como señaló Richard Feynman, a medida que los componentes electrónicos utilizados en las computadoras alcanzan escalas microscópicas cada vez más pequeñas, es probable que los efectos extraordinarios predichos por la mecánica cuántica crezcan en importancia. Entonces, es tentador preguntar (como lo hizo Feynman) si los extraños efectos del mundo cuántico pueden explotarse para hacer computadoras más poderosas.

computadora cuántica

a computadora cuántica A menudo se describe como un dispositivo que explota las propiedades mecánicas cuánticas de la materia para realizar cálculos. Entonces, ¿significa esto que todas las computadoras modernas, que se basan en partículas subatómicas que tienen un carácter claramente cuántico, son, en cierto sentido, «computadoras cuánticas»?

Tomemos, por ejemplo, el circuito de computadora divulgado en la solicitud de patente del Reino Unido GB952610A, publicado por primera vez en 1964, que utiliza binarios de tunelización para realizar los cálculos. El circuito recibe dos señales que consisten en bits binarios (0 y 1) y se utiliza una resistencia diferencial negativa (una propiedad clave de los diodos de túnel) para sumar las dos señales. Los diodos de tunelización explotan un efecto mecánico cuántico conocido como tunelización cuántica y el circuito utiliza estos diodos de tunelización mecánica cuántica para realizar cálculos. Entonces, ¿califica esto el circuito en el GB952610A como un tipo de computadora cuántica? ¿O falta algo?

Cuántica «hasta el final»

Si bien es cierto que todas las computadoras digitales modernas se basan en partículas subatómicas para operar, y algunas usan componentes que explotan los efectos de la mecánica cuántica, muchos argumentarían que en una computadora cuántica «real», todo, desde el cifrado de datos hasta la lógica de los cálculos, debe ser cuántico. . En otras palabras, una computadora cuántica debe ser «completa».

Entonces, aunque el GB952610A expone una computadora que se basa en un efecto mecánico cuántico (tunelización cuántica) para realizar cálculos, aún recopila bits binarios (0 y 1). En contraste, para los tipos de computadoras comúnmente descritos como «computadoras cuánticas», incluso los bits mismos son bits cuánticos o «qubits».

Un qubit es un sistema cuántico que tiene (por ejemplo) dos niveles o estados, generalmente escritos como ∣0〉 y 1〉. Un qubit puede estar en cualquiera de los dos estados o, a diferencia de los bits en una computadora digital, en una combinación o mezcla de ambos estados. Esta mezcla de estados se conoce como superposición y esta es otra idea básica de la mecánica cuántica. La capacidad de manipular y realizar cálculos utilizando qubits en lugar de bits abre la puerta a todo un mundo de nuevas y emocionantes posibilidades.

Los nuevos algoritmos especializados que usan qubits podrían algún día permitir que las computadoras cuánticas realicen cálculos mucho más rápido que sus contrapartes digitales. Por ejemplo, el algoritmo de Grover podría permitir búsquedas más rápidas utilizando qubits. De hecho, la primera demostración de una computadora cuántica en 1998 usó un Computadora cuántica de 2 qubits Para implementar este algoritmo en particular.

Si bien esta primera computadora cuántica solo podía resolver problemas básicos, y podía mantener la coherencia durante solo unos segundos, fue pionera en las computadoras cuánticas más modernas (con muchas docenas de qubits) en uso hoy en día. Y si bien puede parecer que hay un largo camino por recorrer antes de que las computadoras cuánticas puedan superar a las computadoras digitales en términos de potencia y velocidad de cómputo, hay Un verdadero apetito por sus beneficios más temprano que tarde..

El auge de la era de la computación cuántica

Aunque los efectos cuánticos se conocen y utilizan en las computadoras desde hace algún tiempo, parece que la era de la computación cuántica propiamente dicha apenas comienza. cada año, Número creciente de solicitudes de patentes Las cuentas cuantitativas se ofrecen en jurisdicciones de todo el mundo, lo que posiblemente refleja las enormes sumas que se están invirtiendo.

Los desarrollos recientes particularmente interesantes incluyen el advenimiento de las computadoras híbridas, aquellas que combinan procesadores digitales y cuánticos, y la creciente lista de sistemas disponibles comercialmente utilizados por algunas de las compañías líderes en el mundo. de Reducir los tiempos de tránsito de pasajeros en los aeropuertos a Transformación de los servicios financieros y detección del fraudeLas computadoras cuánticas ya se están utilizando para ayudar a resolver problemas del mundo real en muchas industrias.