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Computación cuántica


La computación cuántica es un campo multidisciplinario que aúna aspectos de ciencias de la computación, física y matemáticas y utiliza mecánicas cuánticas para resolver problemas complejos más rápido que las computadoras clásicas. El campo de la computación cuántica incluye investigación de hardware y desarrollo de aplicaciones. Las computadoras cuánticas son capaces de resolver ciertos tipos de problemas más rápido que las computadoras clásicas, ya que sacan partido de los efectos de la mecánica cuántica, como la superposición y la interferencia cuántica. Algunas aplicaciones en las que las computadoras cuánticas pueden brindar dicho impulso de velocidad son el machine learning (ML), la optimización y la simulación de sistemas físicos. Entre los casos de uso eventuales se incluyen la optimización de la cartera en finanzas o la simulación de sistemas químicos; en definitiva, la solución de problemas que actualmente no pueden abordar ni las supercomputadoras más potentes del mercado.


La computación cuántica es una tecnología que utiliza las leyes de la mecánica cuántica para resolver problemas muy complejos de los computadores clásicos. Los científicos apenas comenzaron a imaginar los primeros computadores cuánticos hace poco menos de tres décadas. IBM es una de las empresas que ha apostado por esta tecnología, tal como lo hizo en su momento con la Inteligencia Artificial con el computador Watson o con el uso de la Nube. El gerente de IBM Ecuador, Andrés Maldonado, concuerda en que la computación cuántica es un tema complicado de explicar. Pero lo resume así: “Los computadores tradicionales funcionan con un concepto binario de ceros y unos, y con esa matemática binaria construyen los cálculos o procesan información. Mientras que en la computación cuántica, los estados de procesamiento pueden ser ceros, unos o los dos a la vez, como ocurre en la física cuántica.


Principios de la computación cuántica


Una computadora cuántica funciona usando principios cuánticos. Los principios cuánticos requieren un nuevo diccionario de términos para comprenderlos por completo, términos que incluyen superposición, entrelazamiento y decoherencia. Vamos a entender estos principios a continuación.

  • Superposición: La superposición establece que, al igual que las ondas en la física clásica, puede agregar dos o más estados cuánticos y el resultado será otro estado cuántico válido. Por el contrario, también puede representar cada estado cuántico como una suma de dos o más estados distintos. Esta superposición de cúbits le da a las computadoras cuánticas su paralelismo inherente, permitiéndoles procesar millones de operaciones simultáneamente.

  • Entrelazamiento: El entrelazamiento cuántico ocurre cuando dos sistemas se vinculan tan estrechamente que el conocimiento sobre uno le brinda un conocimiento inmediato sobre el otro, sin importar cuán separados estén. Los procesadores cuánticos pueden sacar conclusiones sobre una partícula midiendo otra. Por ejemplo, pueden determinar que si un bit gira hacia arriba, el otro siempre girará hacia abajo y viceversa. El entrelazamiento cuántico permite que las computadoras cuánticas resuelvan problemas complejos más rápido. Cuando se mide un estado cuántico, la función de onda colapsa y el estado se mide como cero o como uno. En este estado conocido o determinista, el bit actúa como un bit clásico. El entrelazamiento es la capacidad de los cúbits para correlacionar su estado con otros cúbits.

  • Decoherencia: La decoherencia es la pérdida del estado cuántico en un bit. Los factores ambientales, como la radiación, pueden provocar el colapso del estado cuántico de los cúbits. Un gran desafío de ingeniería en la construcción de una computadora cuántica es diseñar las diversas características que intentan retrasar la decoherencia del estado, como la construcción de estructuras especiales que protegen los cúbits de los campos externos.


Componentes del computador cuántico


Las computadoras cuánticas tienen hardware y software, similar a una computadora clásica.


  • Hardware cuántico: El hardware cuántico tiene tres componentes principales.

  • Plano de datos cuánticos: El plano de datos cuánticos es el núcleo de la computadora cuántica e incluye los cúbits físicos y las estructuras necesarias para mantenerlos en su lugar.

  • Plano de control y medida: El plano de control y medición convierte las señales digitales en señales analógicas o de control de onda. Estas señales analógicas realizan las operaciones en los cúbits en el plano de datos cuánticos.

  • Plano del procesador de control y procesador host: El plano del procesador de control implementa el algoritmo cuántico o secuencia de operaciones. El procesador host interactúa con el software cuántico y proporciona una señal digital o una secuencia de bits clásica al plano de control y medición.

  • Software cuántico: El software cuántico implementa algoritmos cuánticos únicos utilizando circuitos cuánticos. Un circuito cuántico es una rutina de computación que define una serie de operaciones cuánticas lógicas en los cúbits subyacentes. Los desarrolladores pueden usar varias herramientas y bibliotecas de desarrollo de software para codificar algoritmos cuánticos.


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