¿Qué es la computación cuántica?
Los equipos cuánticos introducen nuevos conceptos en los métodos de programación tradicionales al usar las reglas especiales de la física cuántica para hacer cálculos.
Veamos en qué difiere la computación cuántica de la computación clásica y cómo crear un equipo cuántico.
El nacimiento de la computación cuántica
La idea de un equipo cuántico nació de la dificultad de simular sistemas cuánticos en un equipo clásico. En los años 80, Richard Feynman y Yuri Manin sugirieron que el hardware basado en fenómenos cuánticos podría ser más eficaz para la simulación de sistemas cuánticos que los equipos convencionales.
Hay muchas maneras de entender por qué los sistemas cuánticos son difíciles de simular. Lo más sencillo es ver que la cuestión, en un nivel cuántico, está en una multitud de configuraciones posibles (conocidas como "estados") al mismo tiempo.
La computación cuántica crece exponencialmente
Considere un sistema de partículas cuánticas, por ejemplo electrones. Hay $40$ posibles posiciones o ubicaciones para los electrones. Por lo tanto, el sistema puede estar en cualquiera de las $2^{40}$ configuraciones (ya que cada ubicación puede tener o no un electrón). Para almacenar el estado cuántico de los electrones en la memoria de un equipo convencional, se necesitarían más de $130$ GB de memoria. Si se permitiera a los electrones una posición más, de modo que pudieran estar en cualquiera de las $41$ posiciones, tendríamos el doble de configuraciones en $2^{41}$ que, a su vez, necesitaría más de $260$ GB de memoria para almacenar el estado cuántico.
A este juego de aumentar el número de ubicaciones no se puede jugar indefinidamente. Si quiere almacenar el estado de manera convencional, superaría rápidamente las capacidades de memoria de las máquinas más poderosas del mundo. Con unos cientos de electrones, la memoria necesaria para almacenar el sistema supera el número de partículas del universo; por lo tanto, no hay ninguna esperanza de que nuestros equipos convencionales simulen su dinámica cuántica.
Convertir una dificultad en oportunidad
La observación de este crecimiento exponencial llevó a formular una pregunta importante: ¿es posible convertir esta dificultad en una oportunidad? En concreto, si los sistemas cuánticos son difíciles de simular, ¿qué sucedería si se creara hardware que tuviera efectos cuánticos como operaciones fundamentales? ¿Podríamos simular sistemas cuánticos de interacción de partículas con una máquina que emplee exactamente las mismas leyes de física? ¿Y podríamos usar ese equipo para investigar otras tareas que están ausentes en las partículas cuánticas, pero que son cruciales para nosotros? Estas preguntas condujeron a la aparición de la computación cuántica.
En 1985, David Deutsch mostró que un equipo cuántico podría simular eficazmente el comportamiento de cualquier sistema físico. Este descubrimiento fue la primera indicación de que los equipos cuánticos se podrían usar para resolver problemas que son insolubles en los equipos clásicos.
En 1994, Peter Shor descubrió un algoritmo cuántico para factorizar enteros que opera exponencialmente más rápido que el algoritmo clásico más conocido. La resolución de factorizaciones permite vulnerar muchos de nuestros sistemas de cifrado de claves públicas que subyacen a la seguridad del comercio electrónico actual, incluidas la criptografía de curva elíptica y RSA. Este descubrimiento despertó un enorme interés por la computación cuántica y condujo al desarrollo de algoritmos cuánticos para muchos otros problemas.
A partir de entonces, se desarrollaron algoritmos de computación cuántica eficientes para muchas de las tareas difíciles clásicas: simular sistemas físicos en química, física y ciencia de los materiales, buscar en una base de datos desordenada, resolver sistemas de ecuaciones lineales y aprendizaje automático.
¿Qué es un cúbit?
Así como los bits son el objeto fundamental de la información en la computación clásica, los cúbits (bits cuánticos) son el objeto fundamental de la información en la computación cuántica.
Un cúbit es la unidad básica de información en la computación cuántica. Los cúbits desempeñan un papel similar en la computación cuántica, ya que los bits juegan en la computación clásica, pero se comportan de forma diferente. Los bits clásicos son binarios y solo pueden contener una posición de $0$ o $1$, pero los cúbits pueden contener una superposición de todos los estados posibles. Este comportamiento significa que un cúbit puede estar en el estado $0$, $1$ o en cualquier superposición cuántica de ambos. Hay posibles superposiciones infinitas de $0$ y $1$, y cada una de ellas es un estado de cúbit válido.
En la computación cuántica, la información se codifica en la superposición de los estados $0$ y $1$. Por ejemplo, con $8$ bits podríamos codificar $256$ valores diferentes, pero tenemos que elegir uno de ellos para codificarlo. Con cúbits de $8$, podríamos codificar los valores de $256$ al mismo tiempo, ya que un cúbit puede estar en una superposición de todos los estados posibles.
Creación de un equipo cuántico
Un equipo cuántico es un equipo que aprovecha los fenómenos mecánicos cuánticos. Los ordenadores cuánticos usan estados cuánticos de la materia para almacenar y calcular información. Pueden "programar" una interferencia cuántica para hacer cosas más rápido o mejor que los equipos clásicos.
A la hora de crear un equipo cuántico, es necesario pensar en cómo crear los cúbits y cómo almacenarlos. También debemos pensar en cómo manipularlos y cómo leer los resultados de nuestros cálculos.
Las tecnologías de cúbits más usadas son cúbits de iones atrapados, cúbits superconductores y cúbits topológicos. En algunos métodos de almacenamiento de cúbits, la unidad que hospeda los cúbits se mantiene a una temperatura cercana al cero absoluto para maximizar su coherencia y reducir la interferencia. Otros tipos de alojamiento de cúbits usan una cámara de vacío para ayudar a minimizar las vibraciones y estabilizar los cúbits. Las señales se pueden enviar a los cúbits empleando varios métodos, entre ellos, microondas, láser y tensión.
Los cinco criterios de un equipo cuántico
Un buen equipo cuántico debe tener estas cinco características:
- Escalable: puede tener muchos cúbits.
- Inicializable: puede establecer los cúbits en un estado específico (normalmente el estado $0$).
- Resistente: puede mantener los cúbits en estado de superposición durante mucho tiempo.
- Universal: un equipo cuántico no necesita realizar todas las operaciones posibles, solo un conjunto de operaciones denominadas conjunto universal. Un conjunto de operaciones cuánticas universales es aquel que cualquier otra operación se puede descomponer en una secuencia de ellas.
- Confiable: puede medir los cúbits con precisión.
Estos cinco criterios se conocen a menudo como "criterios de Di Vincenzo" para el cálculo cuántico.
El desafío de ingeniería de la creación de dispositivos que cumplan estos cinco criterios es uno de los más exigentes a los que se ha enfrentado el hombre. Microsoft está asociado con algunos de los mejores fabricantes de equipos cuánticos del mundo para proporcionarle acceso a las soluciones de computación cuántica más recientes a través de Azure Quantum.