Informática cuántica

La informática cuántica es el ámbito de estudio que se centra en el desarrollo de tecnología informática basada en los principios de la teoría cuántica. La informática cuántica, que sigue las leyes de la física cuántica, ganaría enorme potencia de procesamiento si tuviera la capacidad de estar en múltiples estados, y la capacidad de realizar tareas utilizando de manera simultánea todas las posibles permutaciones.

 Informática clásica e informática cuántica: comparación

La informática clásica se basa, en su máximo nivel, en los principios expresados por el álgebra booleana. Los datos deben procesarse en un estado binario exclusivo en cualquier momento, o bits. Aunque el tiempo que cada transistor o condensador necesita pueda ser 0 ó 1 antes de cambiar de estado, y ahora sea medible en milmillonésimas de segundo, sigue habiendo un límite respecto a lo rápido que estos dispositivos pueden cambiar de estado. A medida que logramos circuitos de menor tamaño y más rápidos, empezamos a alcanzar los límites físicos de los materiales y debemos aplicar el umbral de las leyes clásicas de la física. Más allá de esto, el mundo cuántico toma el relevo.

En un ordenador cuántico, varias partículas elementales como electrones o fotones se pueden usar bien con su carga o  bien mediante polarización como representación de 0 y/ó 1. Cada una de estas partículas se conoce como un bit cuántico o cubit. La naturaleza y comportamiento de estas partículas forma la base de la informática cuántica.

Superposición y entrelazamiento cuánticos

Los dos aspectos más importantes de la física cuántica son los principios de superposición y entrelazamiento.

  • Superposición: considera un cubit como un electrón en un campo magnético. El espín de electrón puede estar alineado con el campo, lo que se conoce como estado de espín acelerado, o en oposición al campo, lo que se conoce como estado de espín desacelerado. De acuerdo con la ley cuántica, la partícula entra una superposición de estados, en los que se comporta como si estuviera en ambos estados de forma simultánea. Cada cubit utilizado podría adoptar una superposición tanto de 0 como de 1.
  • Entrelazamiento: las partículas que han interactuado en algún momento mantienen un tipo de conexión y se pueden entrelazar entre sí en pares, en un proceso conocido como correlación. Conocer el estado de espín de una partícula entrelazada, acelerada o desacelerada, permite saber que el espín de su compañero está en la dirección opuesta. El entrelazamiento cuántico permite a los cubits, que están separados por distancias increíbles, interactuar entre sí de manera instantánea (no limitado a la velocidad de la luz). No importa cuán grande sea la distancia entre las partículas correlacionadas, seguirán entrelazadas mientras estén aisladas.

De forma conjunta, la superposición y el entrelazamiento cuántico crean una potencia informática muy mejorada. Mientras un registro de 2 bits en un ordenador ordinario puede almacenar solo una de las cuatro configuraciones binarias (00, 01, 10 o 11) en cualquier momento, un registro de 2 cubits en un ordenador cuántico puede almacenar los cuatro números de forma simultánea, porque cada cubit representa dos valores. Si se añaden más cubits, la capacidad aumenta exponencialmente.

Dificultades con los ordenadores cuánticos

  • Interferencia – Durante la fase de computación de un cálculo cuántico, la mínima perturbación de un sistema cuántico (como un fotón extraviado, o una oleada de radiación EM) hace que la computación cuántica se colapse, un proceso conocido como decoherencia. Un ordenador cuántico debe estar completamente aislado de cualquier interferencia externa durante la fase de computación.
  • Corrección de errores – Dada la naturaleza de la informática cuántica, la corrección de errores es de vital importancia, incluso un único error en un cálculo puede dar lugar a que la validez de toda la computación se colapse.
  • Observancia de los resultados – Estrechamente relacionada con las dos anteriores, la recuperación de los datos obtenidos tras un cálculo cuántico supone un riesgo total de corromper los datos.

El futuro de la informática cuántica

La mayor y más importante es la capacidad de factorizar un gran número en dos números primarios. Es muy importante porque es lo que casi todas las aplicaciones de cifrado de internet usan y puede ser descifrada. Un ordenador cuántico debería poder hacerlo de forma relativamente rápida. Calcular las posiciones de átomos individuales en moléculas muy grandes como polímeros y en virus. Si se tiene un ordenador cuántico, se podría usar la interacción de las partículas entre sí para desarrollar medicamentos y entender cómo funcionan las moléculas un poco mejor.

Aunque hay que superar muchos problemas, los avances de los últimos 15 años y, en particular de los últimos 3 años, han permitido cierta forma de informática cuántica práctica. No obstante, el potencial que ofrece esta tecnología está atrayendo un enorme interés tanto del sector público como del sector privado. Es este potencial el que está rompiendo rápidamente los límites de esta tecnología, pero si todos los límites podrán o no superarse y cuándo ocurrirá eso es todavía una cuestión sin resolver. 

Ahmed Banafa

Faculty | Author | Conferenciante| IoT Expert

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Referencias

http://www.economist.com/news/science-and-technology/21578027-first-real-world-contests-between-quantum-computers-and-standard-ones-faster

http://whatis.techtarget.com/definition/quantum-computing

http://physics.about.com/od/quantumphysics/f/quantumcomp.htm